【正文】 ................................. 39 本章小結(jié) ....................................................... 40 結(jié) 論 ................................................................ 41 參考文獻(xiàn) .............................................................. 42 致 謝 ................................................................ 43 附 錄 ................................................................ 43 1 第 1 章 緒 論 選題的目的和意義 內(nèi)燃機(jī)自十九世紀(jì)后期出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)一百多年的不斷研究和改進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展到比較完善的程度，它以熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬廣、 比重量較小的優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)力機(jī)械中占有極其重要的地位，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事裝備的各個(gè)領(lǐng)域 [1]。在長(zhǎng)期使用中，連桿會(huì)因活塞的劇 烈推力和曲軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)等因素，出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象。 現(xiàn)今隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)的迅速發(fā)展，特別是各種分析軟件的日益成熟，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)其零部件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成為輔助設(shè)計(jì)的重要手段。此方法已成為工程技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的的一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算分析工具，其在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用亦有了很大的進(jìn)展。柴油機(jī)行業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)工業(yè)車用柴油機(jī)的發(fā)展越來(lái)越受到重視，成為柴油機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)速度最快的行業(yè)，也是我國(guó)大力發(fā)展的一個(gè)行業(yè)。經(jīng)歷多年的市場(chǎng)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已不再滿足于憑借引進(jìn) 產(chǎn)品獲得市場(chǎng)上的暫時(shí)領(lǐng)先，而認(rèn)識(shí)到核心技術(shù)是最關(guān)鍵的，只有通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收的途徑，自己掌握了核心技術(shù)，企業(yè)才會(huì)有發(fā)展后勁并獲得可持續(xù)發(fā)展的條件。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿精確的分析，可以為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)提供可靠的相關(guān)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)、改進(jìn)的周期和成本 ，提高其可靠性和經(jīng)濟(jì)性。一輛 升奔馳 E級(jí)柴油車平均耗油為 升，僅相當(dāng)于國(guó)內(nèi)排量 升汽油車的能源消耗。 轎車使用柴油機(jī)已成為發(fā)展潮流，我國(guó)商用車按噸位 以上為重型， 以下為輕型車。 轎車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)占比例雖然小，但轎車總量大，且柴油機(jī)品種在逐步增加，如捷達(dá) SD1 發(fā)動(dòng)機(jī)、寶來(lái) 升 TD1 發(fā)動(dòng)機(jī)都是柴油機(jī)。還有一大批新款歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)汽車柴油機(jī)正在研制之中。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的要求，連桿的設(shè)計(jì)應(yīng)力提高，中碳錳釩系列非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度無(wú)法滿足要求，目前德國(guó)在該鋼種的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼種，正在推廣應(yīng)用。我國(guó)的鈦合金連桿、纖維強(qiáng)化鋁合金連桿、粉末冶金鍛造連桿的研究才剛剛起步。 采用三維模型進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，其過(guò)程如同實(shí)際產(chǎn)品的構(gòu)造或加工“制造”裝配過(guò)程一樣反映產(chǎn)品復(fù)雜的幾何形狀及相互之間的位置或裝配關(guān)系，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程更加符合開(kāi)發(fā)工程師習(xí)慣和思維方式。 4110 柴油機(jī)的性能特點(diǎn)，嚴(yán)格按照《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的要求，進(jìn)行了該柴油機(jī)連桿的設(shè)計(jì)，選定了連桿的結(jié)構(gòu) 型式、大小頭及桿身的結(jié)構(gòu)和尺寸，以及潤(rùn)滑方式、定位方式等，再進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，完成 連桿的設(shè)計(jì)過(guò)程。連桿桿身在大、小頭 孔運(yùn)動(dòng)的合成下作復(fù)雜的擺動(dòng)。綜合起來(lái)的結(jié)果使連桿處于一種交變的復(fù)雜受力狀態(tài)。連桿體包括連桿小頭、桿 身和連桿大頭的上部。 連桿必須具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。 連桿的工作條件和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 連桿在高速運(yùn)動(dòng)中承受由活塞組傳遞的氣缸壓力和往復(fù)慣性力的反復(fù)壓縮和拉伸，由此可能產(chǎn)生疲勞破壞，是內(nèi)燃機(jī)主要受力運(yùn)動(dòng)件之一。這就要求在連桿材料的選擇上針對(duì)具體的柴油機(jī)而采用高強(qiáng)度材料并輔以綜合措施。 7 為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度， 本設(shè)計(jì) 采用精選 優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼模鍛 ，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度 [4]。 連桿長(zhǎng)度 L（即連桿大小頭孔中心距）與結(jié)構(gòu)參數(shù) lR?? （ R 為曲柄半徑）有關(guān)。 在機(jī)體的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出連桿長(zhǎng)度為 195mm。連桿小頭的構(gòu)造如圖 22 所示。潤(rùn)滑油的均勻分布可通過(guò)襯套上開(kāi)布油槽來(lái)達(dá)到。根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖表 國(guó)產(chǎn)典型中小功率高速柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)表得到以下數(shù)據(jù)： Dd )~(1 ? mmDd ??取 11 dB? mmB ?取 ?? ? d)~(D 1 ? 1 ??取 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 桿身結(jié)構(gòu)型式 連桿桿身的截形十分重要 ,它應(yīng)能在保證強(qiáng)度的前提 下有盡量較輕的重量 ,此外 ,還要有利于該截面形狀向大端、小端的過(guò)渡 ,因此柴油機(jī)連桿桿身常采用工字形截面。為了使桿身能與小頭和大頭圓滑過(guò)渡，桿身截面是由上向下逐漸增大的。 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大頭結(jié)構(gòu)型式 連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑 D長(zhǎng)度 B連桿軸瓦厚度 δ 2和連桿螺栓直徑 dm。由于平切口連桿的大頭具有較大的剛度，軸承孔受力變形小及制造費(fèi)用低，一般都采用這種結(jié)構(gòu)。 之后 分別確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭 、以及螺栓 的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ，還對(duì) 各 個(gè) 部件的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了分析。上述載荷的聯(lián)合作用可 能使連桿小頭及其桿身過(guò)渡處產(chǎn)生疲勞破壞，故必須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算 ，如圖 所示。 則 2 ????? 連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù) 在制造工況穩(wěn)定情況下，疲勞強(qiáng)度安全系 數(shù)可達(dá)到 左右， 一般約在 ~ 范圍之內(nèi) ，基本符合要求。 由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： mj fP max1 ?? （ ） 15 式中 ： mf — 連桿桿身的斷面面積， 柴 油機(jī) Af m )~(? ， A 為 活塞投影面積 取 mmDfm 9 5 8 2 ??? ? 。 則 在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為 ： 5 1 7 ???y? MPa x? 和 y? 的許用值為 400~250 MPa ，所以校核合格。 連桿大頭的強(qiáng)度校核 假設(shè)通過(guò)螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個(gè)整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為 0? ， 0? 通常取 ?40 ，作用力通過(guò)曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為 2C 。 連桿上的螺栓數(shù)目為 2，則每個(gè)螺栓承受的最大拉伸載荷 ?jP 為往復(fù)慣性力 jP 和旋轉(zhuǎn)慣性力 rP 在氣缸中心線上的分力之和， 即： NPPP rjj 2 0 3 12 13co 0 0 6 74 4 4 7 6 62 co s ?????????? （ ） 軸瓦過(guò)盈量所必須具有的預(yù)緊力 1P 由軸瓦最小應(yīng)力 M Pa300~200m in ?? ，由實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)可得 1P 一般為 N65~10 ，取 30N ，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可能超速，也可能發(fā)生活塞拉缸，2P 應(yīng)較理論計(jì)算值大些，一般取 m a x2 ~ jPP ?? ）（ ，取 NPP 1 5 2 m a x2 ??? 。 20 第 4 章 連桿三維模型的建立及有限元分析 根據(jù)上一章已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)的連桿結(jié)構(gòu)和尺寸，運(yùn)用 Pro/E 進(jìn)行三維建模。 選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。 DTM1 面，選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入 。 ，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒 角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料， 如圖 42所示。 圖 43 連桿大頭 建立小頭油孔 DTM3 面。 ，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料。 ，使用拉伸命令。定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料。 圖 48 連桿大頭端蓋 24 建立連桿螺栓 、螺母和墊圈 。 (1)使用拉伸命令，建立圓柱。 。 圖 411 連桿襯套 最終完成 連桿如 圖 412 所示 。 小頭內(nèi)孔表面的面積為： 26 39。這時(shí)連桿小頭載荷為： 1 m a x 1 m a x m a x 1 m a x 1 3 2 6 6 5 1 4 2 8 5 .6 3 5 9 1 1 8 3 7 9 .3 6 4 1K z J z JP P P P P N? ? ? ? ? ? ? （ ） 這個(gè)力在小頭內(nèi)孔表面積上產(chǎn)生的壓力為： 39。在進(jìn)行有限元分析時(shí) ,應(yīng)盡量按照實(shí)物來(lái)建立有限元分析模型 ,但對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體 ,完全按照實(shí)物結(jié)構(gòu)來(lái)建立計(jì)算模型、進(jìn)行有限元分析有時(shí)會(huì)變得非常困難 ,甚至是不可能的 ,因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。首先將 Pro/E 建立的三維立體模型導(dǎo)入有限元分析軟件 ANSYS 中，軟件就可進(jìn)行如下處理： (1)零件粘接； (2)定義分析類型：結(jié)構(gòu)分析； (3)定義單元類型； (4)定義材料屬性； (5)網(wǎng)格化分。 (EX=+11 PRXT= ) (2)點(diǎn)擊 MaterialNew Model... [Define Material ID=2 OK] [Material Model Number1structuralLinearElasticIsotropic]。這些屬性對(duì)有限元分析來(lái)說(shuō)，非常重要，不僅影響到網(wǎng)格劃分，而且最關(guān)鍵的是，對(duì)求解的精度影響極大 ，如圖 414所示。 (點(diǎn)選 Smart Size 精度設(shè)置在 4～ 6之間 ) (4)[點(diǎn)擊 Set 后：默認(rèn)對(duì) 1號(hào)零件劃分網(wǎng)格 Element type number=4 SOLID92；Material number=4]。 ： ANSYS Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas[Dick Single list of Items 選擇約束的面“要固定的表面” 點(diǎn) OK 出現(xiàn)約束方向定義 選 ALL DOF； VALUE Displacement value=0]。 ANSYS Main MenuGeneral Postproc Plot ResultsDeformed Shape 選 Def undef edge OK 出現(xiàn)變形 ]，如圖 417所示。 圖 419 連桿受拉工況下的 Y 軸變形 (3)[DOF SolutionTranslation UZ Def Shape Only Fact Optional Scale Factor =1 Interpolation Nodes 中 選擇 1 Corner Only Eff Nu for Eqv Strain 的框中不填 OK]，如圖 420 所示。 查看受力結(jié)果： General PostProc Plot Results/Contour Plot/Nodal Solution X 、 Y、 Z 和總壓力 [20]。 圖 424 受拉工況下的 Z 軸受力分布 (4)[StressTotal Von Mises E。 圖 422 受拉工況下的 X 軸受力分布 (2)[StressXDirection SY Def Shape Only Fact Optional Scale Factor =1 Interpolation Nodes 中 選擇 1 Corner Only Eff Nu for Eqv Strain 的框中不填 OK]，如圖 423 所示。 圖 421 連桿受拉工況下的總變形 變形結(jié)果分析： x 方向最大變形為 ， y方向最大變形為 ， z方向大變形為 ，總方向變形為 。 (1)[DOF SolutionTranslation UX Def Shape Only Fact Optional Scale Factor =1 Interpolation Nodes 中 選擇 1 Corner Only Eff Nu for Eqv Strain 的框中不填 OK][19]，如圖 418 所示。 ANSYS Main MenuSolutionApplyStructuralPressureOn Areas [選受力面；選完點(diǎn) OK Apply Pres On Areas As a=Constant value； Value Load Pres Value=(加載的力的大小 )；下個(gè)空添 1； OK][11]，如圖 416 所示。連桿受壓工況，在連桿小頭內(nèi)側(cè)圓柱面上施加徑向約束，并在小頭端面一側(cè)上施加除徑向外的其余兩方向上的約束 {10}。 (點(diǎn)選 Smart