【正文】 定了連桿的基本設(shè)計(jì)尺寸。完成了 連桿 在機(jī)械載荷 作用下的應(yīng)力與變形分析 。因此，本文的研究結(jié)果將為 連桿 改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。柴油機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高，能量利用率最好，最節(jié)能的機(jī)型， 它 已經(jīng)成為汽車(chē)，農(nóng)業(yè)機(jī)械，工程機(jī)械，船舶，內(nèi)燃機(jī)車(chē)，地質(zhì)和石油鉆機(jī)，軍用，通用設(shè)備，移動(dòng)和備用電站等裝備的主要配套動(dòng)力。在當(dāng)今倡導(dǎo)節(jié)能與環(huán)保的理念下， 車(chē)用 柴油機(jī)以其高功率，低油耗，低污染的優(yōu)點(diǎn)將在今后二十年內(nèi)成為世界用車(chē)主流。連桿在工作過(guò)程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過(guò)盈及螺栓預(yù)緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發(fā)壓力及慣性力）的作用，工作條件比較苛刻。本文應(yīng)用 ANSYS 有限元軟件，對(duì)新設(shè)計(jì)的某機(jī)型連桿進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的校核。新材料、新工藝、新技術(shù)的 不斷開(kāi)發(fā)使用，為柴油機(jī)注入了新的活力。 發(fā)動(dòng)機(jī)是 汽車(chē) 的心臟 ，而發(fā)動(dòng)機(jī)連桿則是承受強(qiáng)烈沖擊力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力最高的動(dòng)力學(xué)負(fù)荷部件。因此對(duì)其剛度和強(qiáng)度提出了很高的要求。與此同時(shí)，在各研究設(shè)計(jì)院所、高等院校和制造企業(yè) 的 合作下，我國(guó)也研制了不少新一代柴油機(jī)產(chǎn)品，通過(guò)大量研究和試制工作，也取得了不少豐碩成果。在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，我國(guó)對(duì)老機(jī)型作了改進(jìn)提高，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一些新機(jī)型。 我國(guó)中高速柴油機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀是：設(shè)計(jì)、研究和生產(chǎn)體系初具規(guī)模，總體水平不高，關(guān)鍵零部件制造工藝落后，達(dá)不到高質(zhì)量水平。第一部分為連桿的結(jié)構(gòu)和基本尺寸的設(shè)計(jì)過(guò)程；第二部分為運(yùn)用 UG 對(duì)所設(shè)計(jì)的連桿進(jìn)行三維 建模裝配；第三部分為柴油機(jī)連桿的有限元分析及強(qiáng)度校核。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)， 其作用是將活塞頂?shù)臍怏w壓力傳給曲軸 ,又受曲軸驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)活塞壓縮氣缸中的氣體。 這三種力的大小和方向隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化而不斷地變化， 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。連桿結(jié)構(gòu)如圖 21所示： 1 連桿襯套 2 連桿小頭 3 連桿桿身 4 連桿螺釘 5 連桿大頭 6 連桿軸瓦 7 連桿端蓋 8 連桿軸瓦凸鍵 9 連桿軸瓦定位槽 圖 21 連桿結(jié)構(gòu)圖 連桿把活塞和曲軸 連接起來(lái)，連桿小頭與活塞銷(xiāo)相連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭與曲柄銷(xiāo) 相連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；連桿的其余部分則作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)， 作用于活塞上的力經(jīng)連桿傳給曲軸。在力的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎，連桿大小頭也應(yīng)該不致顯著失圓。如果強(qiáng)度不足，在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)程中一旦發(fā)生連桿桿身、大頭蓋和連桿螺栓斷裂，就會(huì)使機(jī)器受到嚴(yán)重的破壞。連桿大小頭軸承的潤(rùn)滑條件苛刻，工作中反復(fù)受到擠壓和沖擊。 連 桿 基本尺寸的 確定 本論文所設(shè)計(jì)的某 普通 用柴油機(jī)已知的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)為： 功率 P=190KW 轉(zhuǎn)速 n=2500r/min 六缸水冷 四總程 直列 缸徑 D=130mm 行程 單缸容積 六缸排量 平均有效壓力 缸心矩 169mm 曲柄半徑 連桿長(zhǎng) 壓縮比 16 增壓度 30 連桿的長(zhǎng)短直接影響到柴油機(jī)的高度及側(cè)壓力的大小 ,在柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí) ,當(dāng)運(yùn)動(dòng)件不與有關(guān)零部件相碰時(shí) ,都力求縮短連桿的長(zhǎng)度。連桿長(zhǎng)度越短，即 ? 越大，則可降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度，減輕運(yùn)動(dòng)件重量和整機(jī)重量，對(duì)高速化有利，但 ? 大，使二級(jí)往復(fù)慣性力及氣缸側(cè)壓力增大，并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸相碰的可能性。連桿長(zhǎng)度的確定必須與所設(shè) 計(jì)的內(nèi)燃機(jī)整體相適應(yīng)，連桿設(shè)計(jì)完成后應(yīng)進(jìn)行零件之間的防碰撞校核，應(yīng)校核當(dāng)連桿在最大擺角位置上時(shí)是否與氣缸套的下緣相碰，以及當(dāng)活塞在下止點(diǎn)附近位置上時(shí)活塞下緣是否與平衡重相碰，它們之間的最小距離都不應(yīng)小于 2～ 5 毫米。 連桿小頭 本連桿的小頭的設(shè)計(jì)采用薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)形簡(jiǎn)單、制造方便，材料能充分應(yīng)用，受力時(shí)應(yīng)力分布較均勻。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。 根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì) 要求，本連桿設(shè)計(jì)的桿身尺寸為： 桿身高度 H= 桿身寬度 B=32mm 連桿大頭 從內(nèi)燃機(jī)裝拆方便性出發(fā)，要求連桿大頭在拆卸連桿蓋后應(yīng)能通過(guò)所缸孔，即B0D(最小空隙應(yīng)為 左右 )。平切口連桿采用螺栓定位方式，可防止連桿體和連桿蓋安裝錯(cuò)位，連桿螺栓不承受剪切作用。 平切口連桿結(jié)構(gòu)型式如圖 32 所示： 圖 32 平切口連桿的基本型式 大 端孔徑主要取決于曲柄銷(xiāo)直徑及連桿軸瓦厚度，根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì) 要求，本連桿設(shè)計(jì)的大頭主要尺寸為： 連桿大頭軸瓦厚度 ? =3mm, 大頭孔徑 D1=+3 2= 大頭寬度 b2=51mm 螺栓矩 L1=(～ )D1 取 L1=108= 螺栓孔外側(cè)邊厚不小于（ 2～ 4） mm 取螺栓孔外側(cè)邊厚 3mm 連桿大頭高度 H1=H2== 過(guò)渡區(qū) 連桿的過(guò)渡區(qū)域需要較大的過(guò)渡半徑。 第三章 柴油機(jī)連桿三維模型的建立 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 。 建立連桿大小頭及桿身 ⑴ 建立新文件 選擇菜單中的【文件】→【新建】命令，出現(xiàn)【新建部件文件】對(duì)話框，在【文件名】欄 中輸入“ liangan01”，選擇【單位】欄中的【毫米】，單擊【確定】。 ② 環(huán)境參數(shù)設(shè)置 ③ 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。選擇上上一步建立的輪廓，沿ZC軸正負(fù)方向各拉伸 16mm。點(diǎn)出 OK按鈕，彈出【定位對(duì)話框】，選擇【點(diǎn)到點(diǎn)】定位方式，如圖 36 所示。 彈出【設(shè)置弧的位置】對(duì)話框，選擇【圓心】按鈕，如圖 38 所示，得到凸臺(tái)特征。 ③ 建立表面圓角 ④ 建立圓柱特征 ⑤ 建立拔模特征 ⑥ 移動(dòng) WCS ⑦ 隱藏實(shí)體 ⑧ 移動(dòng)并復(fù)制部分曲線 ⑨ 隱藏部分曲線 ⑷ 桿身工字形槽的建模 ① 進(jìn)入草繪命令 ② 曲線偏移 右擊鼠標(biāo)，改變視圖方向?yàn)椤靖┮晥D】，設(shè)置【隱藏邊方式】為【不可見(jiàn)】，選擇要偏移的曲線，單擊中鍵確認(rèn)，系統(tǒng)提示偏移方向向下，在彈出的對(duì)話框中，輸入 6作為【偏移量】，然后確定。 ③ 曲線倒圓 運(yùn)用【插入】→【圓角】命令，為剛才偏移的四條線分別倒圓，得到如圖 39 所示結(jié)果。然后可得工字形槽。添加之后，再選擇【鏡像平面】命令，選擇【 XCYC平面】為鏡像平面，確定后可得另一側(cè)的工字形槽。如圖 312 所示：。 ② 改變視圖 ③ 實(shí)體倒圓 ⑹ 建立油孔 ① 改變視圖方向 ② 變換原點(diǎn)位置 選擇格式 WCS原點(diǎn)命令 ，捕捉小頭孔中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。再偏移坐標(biāo)原點(diǎn)至對(duì)稱中心。建成的連桿端蓋如圖 319 所示： 圖 319 連桿端蓋圖 建立連桿螺栓 ⑴ 建立新文件 ⑵ 繪制圓和多邊形 選擇【插入】→【曲線】→【基本曲線】，單擊圓按鈕，在【跟蹤欄】對(duì)話框中指定指定圓的參數(shù)，半徑為 6，圓心為（ 0， 0， 0），按確認(rèn)鍵生成一個(gè)圓。 ⑶ 拉伸多邊形 ⑷ 草繪回轉(zhuǎn)體輪廓線 草 繪 結(jié) 果 如 圖 321 所示： 圖 321 回轉(zhuǎn)體輪廓曲線 ⑸ 建立回轉(zhuǎn)體 ⑹ 建立螺紋 ，如圖 322 所示： 圖 322 螺栓 ⑺ 移動(dòng)工作層 ⑻ 建立拉伸體和回轉(zhuǎn)體 ，結(jié)果如圖 323 所示： 圖 323 建立回轉(zhuǎn)體 裝配工作部件 ⑴ 加入組件 調(diào)入連桿組裝配所需的文件，選擇【裝 配】工具條上的【添加已存的】命令，出現(xiàn)【選擇部件】對(duì)話框，在對(duì)話框中單擊 按鈕，出現(xiàn)選擇【部件名】對(duì)話框，在文件夾里選擇端蓋零件，單擊【確定】，主窗口右下角出現(xiàn)一組件預(yù)覽小窗口。 ⑶ 裝配 螺栓 按照步驟 2同樣的方法加入螺栓零件，然后進(jìn)行定位，系統(tǒng)出現(xiàn)【添加已有部件】對(duì)話框，如圖所示，在定位下拉框中選擇【配對(duì)】，然后單擊【確定】，出現(xiàn)【配對(duì)條件】對(duì)話框，在次對(duì)話框中【配對(duì)類型】工具欄選擇 圖標(biāo)。 ⑴ 打開(kāi)已裝配好的文件 ⑵ 設(shè)置材料性能 ⑶ 分析 選擇【分析】→【質(zhì)量特性】→【裝配質(zhì)量管理】，彈出【重量管理】對(duì)話框→【工作部件】，單擊【確定】，自動(dòng)分析出相關(guān)的信自，如圖 325 所示： 圖 325 裝配質(zhì)量 信息 第四章 柴油機(jī)連桿的有限元分析及強(qiáng)度校核 連桿幾何模型的建立 連桿的材料性能及特點(diǎn) 柴油機(jī)連桿在整個(gè)工作過(guò)程中受拉伸、壓縮以及慣性力和連桿力矩所生成的交變的載荷，尤其是大功率柴油機(jī)的工作條件更差 ,因此必須保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度。連桿和連桿端蓋的材料均為 40Cr，其屈服強(qiáng)度可達(dá) 800MPa ，彈性模量為 +5( 2/N mm ),密度?。?3/kgmm ）， 并認(rèn)為考慮范圍僅限于線彈性。該軟件采用交互式將有關(guān)連桿幾何形狀、材料特 征和計(jì)算工況的參數(shù)輸入后，軟件就可進(jìn)行如下處理： (1)生成連桿有限元網(wǎng)格及變厚度處理等有關(guān)參 圖 41 有限元分析結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖 數(shù)； (2)自動(dòng)進(jìn)行載荷處理； (3)計(jì)算單元?jiǎng)偠龋?(4)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移； (5)計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；(6) 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力，并求出最大主應(yīng)力及其位置； (7)計(jì)算各強(qiáng)度理論中的相當(dāng)應(yīng)力，并求出最大相當(dāng)應(yīng)力及其位置； (8)繪制單元網(wǎng)格圖、邊界應(yīng)力圖和邊界變形圖。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。所以 ,結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。將建好的模型導(dǎo)入 ANSYS 中，進(jìn)行修復(fù)和修改 。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。 ⑴ 定義單元類型 選擇主菜單中【 Preprocessor】→【 Add/Edit/Delete】→【 Element Type】 ,然后如圖 42 所示，選擇【 Solid】→【 10node 92】→【 OK】 圖 42 定義單元類型 ⑵ 定義實(shí)常數(shù) ⑶ 定義材料模型 ⑷ 賦予單元屬性 有限元分析的基礎(chǔ)是單元 ， 所以在有限元分析之前必須將實(shí)物模型劃分為等效節(jié)點(diǎn)和單元。 由于連桿形狀較為復(fù)雜，在滿足計(jì)算精度要求的 情況下，為了讓結(jié)點(diǎn)數(shù)量盡量少，本論文對(duì)整個(gè)連桿采用能較好模擬物體形狀的自由三維四面體 Solid 92 劃分自由網(wǎng)格，連桿有限元網(wǎng)格如圖 43 所示： 圖 43 連桿有限元網(wǎng)格圖 計(jì)算工況的選擇和計(jì)算條件的處理 在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，它受到的力是周期變化的。在連桿的兩個(gè)側(cè)面并無(wú)外力作用，連桿的長(zhǎng)度又遠(yuǎn)大于厚度，因此，本軟件把連桿的應(yīng)力分析問(wèn)題簡(jiǎn)化為變厚度的應(yīng)力問(wèn)題來(lái)處理。 連桿載荷 連桿工作時(shí)承受復(fù)雜周期變化外力。根據(jù)連桿設(shè)計(jì)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)可知，連桿的最大壓力出現(xiàn)在燃燒膨脹行程上止點(diǎn)后20176。最大拉力則發(fā)生在排氣行程終了的上止點(diǎn)，此拉力通過(guò)活塞銷(xiāo)作用在連桿小頭內(nèi)側(cè)上部與活塞銷(xiāo)相接觸的圓柱面上。如圖 44 所示： 圖 44 連桿受力簡(jiǎn)化模型 左圖中 ? 為連桿小頭與活塞的接觸角，一般可取 120176。其分布規(guī)律為： cos( 3 / 2)cqq? ?? cq — 為最大徑向力集度（ 2/N mm ）， q? — 為任意點(diǎn)處的徑向力集度（ 2/N mm ） 。 小頭內(nèi)孔表面 120176。21 2 2 7 .5 4 8 2 7 6 3 .23A m m?? ? ? ? ? 大頭內(nèi)孔表面 120176。范圍內(nèi)的面積上產(chǎn)生的壓力為： 1 m a x ,39。21 3 6 7 2 . 6 0 4 9 4 . 9 4 8 /2 7 6 3 . 2JJ P NP N m mA m m? ? ? 連桿大頭則是承受活塞組 1M 和連桿小頭 2M 往復(fù)慣性力及連桿大頭 3M 產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力，這個(gè)力在大頭內(nèi)孔表面 120176。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 132 665 136 72. 604 9 118 992 .39 51K z J z JP P P P P N? ? ? ? ? ? ? 這個(gè)力在小頭內(nèi)孔表面 120176。39。 1 1 8 9 9 2 . 3 9 5 1 4 0 . 0 6 3 3 /2 7 6 3 . 2Kk PP N m mA? ? ? 連桿大頭上的載荷為： ? ?2 m a x 1 m a x 2 m a x 3 m a xK z J J z JP P P P P P P? ? ? ? ? ? 13 26 65 27 43 65 5 10 52 27 .23 4 N? ? ? 這個(gè)力在大頭內(nèi)孔表面 120176。圓柱面上施加徑向約束。圓柱面上施加徑向約束。