【正文】 的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。所以設(shè)計連桿的一個主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。材料的選擇 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，采用精選含碳量的優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度。 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度、剛度計算連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計中確定。連桿小頭的強(qiáng)度校核以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。 連桿小頭主要結(jié)果尺寸（1）襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力計算時把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為： （）式中：—襯套壓入時的過盈，； 一般青銅襯套，取，其中：—工作后小頭溫升,約；—連桿材料的線膨脹系數(shù)，對于鋼 ；—襯套材料的線膨脹系數(shù)，對于青銅；、—連桿材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可??；—連桿材料的彈性模數(shù)，鋼；—襯套材料的彈性模數(shù)，青銅；計算小頭承受的徑向壓力為：由徑向均布力引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計算，表面應(yīng)力 （）內(nèi)應(yīng)力 （）的允許值一般為，校核合格。連桿小頭的剛度計算當(dāng)采用浮動式活塞銷時，必須計算連桿小頭在水平方向由于往復(fù)慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗公式為: （） 式中：—連桿小頭直徑變形量，；—連桿小頭的平均直徑，； —連桿小頭斷面積的慣性矩，則 對于一般發(fā)動機(jī)，此變形量的許可值應(yīng)小于直徑方向間隙的一半，標(biāo)準(zhǔn)間隙一般為，則校核合格。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。（1）最大拉伸應(yīng)力由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： （）式中：—連桿桿身的斷面面積，汽油機(jī)，為活塞投影面積，取。此時連桿在擺動平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為連桿兩端為鉸支，長度為；在垂直擺動平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長度為，因此在擺動平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （）式中：—系數(shù)，對于常用鋼材，?。弧嬎銛嗝鎸Υ怪庇跀[動平面的軸線的慣性矩。則在垂直于擺動平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 和的許用值為 ，所以校核合格。循環(huán)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，在連桿擺動平面為： （） （）在垂直擺動平面內(nèi)為： （） （）連桿桿身的安全系數(shù)為： （）式中：—材料在對稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（合金鋼），取；—材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，取=；—工藝系數(shù)。 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度、剛度計算連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與主要尺寸連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長度、連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺高度，取，取，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。 連桿蓋的最大載荷是在進(jìn)氣沖程開始的，計算得：作用在危險斷面上的彎矩和法向力由經(jīng)驗公式求得： （）由此求得作用于大頭蓋中間斷面的彎矩為： （）作用于大頭蓋中間斷面的法向力為： （）式中：，—大頭蓋及軸瓦的慣性矩， ，—大頭蓋及軸瓦的斷面面積， ，在中間斷面的應(yīng)力為： （）式中：—大頭蓋斷面的抗彎斷面系數(shù)， 計算連桿大頭蓋的應(yīng)力為：一般發(fā)動機(jī)連桿大頭蓋的應(yīng)力許用值為，則校核合格。發(fā)動機(jī)工作時連桿螺栓受到兩種力的作用：預(yù)緊力和最大拉伸載荷，預(yù)緊力由兩部分組成：一是保證連桿軸瓦過盈度所必須具有的預(yù)緊力；二是保證發(fā)動機(jī)工作時，連桿大頭與大頭蓋之間的結(jié)合面不致因慣性力而分開所必須具有的預(yù)緊力[15]。 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計算連桿螺栓預(yù)緊力不足不能保證連接的可靠性，但預(yù)緊力過大則可能引起材料超出屈服極限，則應(yīng)校核屈服強(qiáng)度，滿足 （）式中：—螺栓最小截面積，；—螺栓的總預(yù)緊力，；—安全系數(shù)，；—材料的屈服極限，一般在950以上[16]。 5 曲軸的設(shè)計 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 曲軸的工作條件和設(shè)計要求曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。特別在曲柄至軸頸的圓角過渡區(qū)、潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應(yīng)力集中現(xiàn)象尤為突出。如果曲軸彎曲剛度不足，就會大大惡化活塞、連桿的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，曲軸扭轉(zhuǎn)剛度不足則可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動，所以設(shè)計曲軸時，應(yīng)保證它有盡可能高的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。所以設(shè)計曲軸時，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應(yīng)具有足夠的承壓面積同時給予盡可能好的工作條件。為了提高曲軸的彎曲剛度和強(qiáng)度，采用全支撐半平衡結(jié)構(gòu)[11]，即四個曲拐，每個曲拐的兩端都有一個主軸頸，： 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 曲軸的材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強(qiáng)度決定著曲軸的體積、重量和壽命，作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能以外，還要求高度的耐磨性、耐疲勞性和沖擊韌性。在保證曲軸有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料。高強(qiáng)度球墨鑄鐵的出現(xiàn)為鑄造曲軸的廣泛采用提供了前提。球墨鑄鐵曲軸可以鑄成復(fù)雜的合理的結(jié)構(gòu)形狀，使其應(yīng)力分布均勻，金屬材料更有效地利用，加上球鐵材料對斷面缺口的敏感性小，使得球鐵曲軸的實際彎曲疲勞強(qiáng)度與正火中碳鋼相近。 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計 曲柄銷的直徑和長度 在考慮曲軸軸頸的粗細(xì)時，首先是確定曲柄銷的直徑。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力增大，隨曲軸及軸承的工作帶來不利，對于汽油機(jī)，為氣缸直徑，已知=，則，曲柄銷直徑取為==。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發(fā)，應(yīng)使控制在一定范圍內(nèi)，同時注意曲拐各部分尺寸協(xié)調(diào)，根據(jù)統(tǒng)計/=，取==。那么由，則長度取值合適。從曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)，建議取，取==54。據(jù)統(tǒng)計，取==。為提高曲柄的抗彎能力，適當(dāng)增加曲柄的厚度，曲柄的形狀采用橢圓形，為了能最大限度地減輕曲軸的重量，并減小曲柄相對于主軸頸中心的不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，將曲柄上肩部多余的金屬削去。曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。~1，取=1。 平衡重對四拐曲軸來說，作用在第2拐和第4拐上的離心慣性力互成力偶。由于曲軸是安裝在機(jī)體的主軸承中的，所以曲軸發(fā)生彎曲變形時上述力偶就將也部分地作用在機(jī)體上，使機(jī)體承受附加彎曲力偶的作用，尤其是在此情況下主軸承的工作條件也要變壞。設(shè)計時，平衡重對主軸承工作情況的影響是利用主軸頸載荷圖來進(jìn)行估算的。通過安裝平衡重可以抵消一部分離心慣性力，從而使軸頸表面的載荷分布比較均勻些，與此同時軸頸和軸承表面的平均載荷也可以相應(yīng)下降。設(shè)計平衡重時，應(yīng)盡可能使平衡重的重心遠(yuǎn)離曲軸旋轉(zhuǎn)中心，即用較輕的重量達(dá)到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量。將平衡重與曲軸鑄成一體，時加工較簡單，并且工作可靠。曲軸中油道的尺寸和布置直接影響它的強(qiáng)度和剛度，同時也影響軸承工作的可靠性。從主軸頸向曲柄銷供油采用斜油道，主軸頸上的油孔入口應(yīng)保證向曲柄銷供油足夠充分，曲柄銷上油孔的出口應(yīng)設(shè)在負(fù)荷較低區(qū)，用以提高向曲柄銷的供油能力。由于油道位于曲拐平面內(nèi)，油道出口處應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)油道中心線與軸頸中心線的夾角時，最大應(yīng)力增加很快，因此油孔設(shè)在小于處[10]。 曲軸兩端的結(jié)構(gòu)曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的正時齒輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因為結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。這是應(yīng)為曲軸自由端的軸頸允許較細(xì)，可以采用節(jié)圓直徑小的齒輪，消除扭轉(zhuǎn)振動的減振器裝在曲軸前端，因為這里的振幅最大。一方面防止曲軸箱中的機(jī)油由這里漏出去，另一方面也防止外面的塵土等進(jìn)入。所謂迷宮槽是在軸上或在曲軸箱的對應(yīng)孔壁上制出螺紋，螺紋的螺旋方向與軸的螺旋方向相反。曲軸后端（功率輸出端）設(shè)有法蘭，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。定位銷用來保證重裝飛輪時保持飛輪與曲軸的裝配位置。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。 曲軸的止推曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪即離合器等的軸向力會產(chǎn)生軸向移動，為了控制發(fā)動機(jī)在工作時曲軸的軸向竄動，在曲軸上設(shè)置有軸向定位裝置，同時為了保證曲軸在受熱膨脹時有一定的自由伸長量，所以曲軸上只能有一處軸向定位。在第三主軸頸處設(shè)置軸向止推片，止推片為四片。 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核由于曲軸工作時承受交變載荷，它的破壞往往都由疲勞產(chǎn)生，因此，需要進(jìn)行疲勞驗算。連續(xù)梁計算方法為：把曲軸簡化為支承在剛性支承上的圓柱形連續(xù)直梁，根據(jù)連續(xù)梁支承處偏轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)出各支承偏轉(zhuǎn)角變化總和為零的連續(xù)方程，這種方法在各單位曲拐長度相等的情況下認(rèn)為它們的剛度相等，免去繁雜的曲拐剛度計算，同時又由于不考慮支座彈性等，得到三彎矩方程，借助三彎矩方程進(jìn)行計算，得各支承處在曲拐平面和曲拐平面的垂直面內(nèi)的彎矩，然后把第支承和第支承點(diǎn)處的主軸頸截面的彎矩（曲拐平面內(nèi)）、（曲拐平面的垂直面內(nèi)）和、再根據(jù)此新模型確定各支反力、各危險截面的內(nèi)力矩，進(jìn)而計算各名義應(yīng)力[17]。由材料力學(xué)知：在支承處左端梁轉(zhuǎn)角和右端梁轉(zhuǎn)角為（若）： （） （）由變形協(xié)調(diào)條件=， 連續(xù)梁受力圖=又因為，所以 （）設(shè)第一支承和最后一個支承處的彎矩為零，即上式中包含，三個支承處的內(nèi)彎矩，故稱三彎矩方程。曲拐平面內(nèi)支承彎矩計算已知=++=，當(dāng)=2，=3，=4時，由式（）得三彎矩方程組（）： （）。 支反力計算模型得到支反力表達(dá)式如下： （） （）式中：—作用在曲柄銷上的徑向力；—作用在曲柄銷上的切向力； —連桿旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、曲柄銷、曲柄臂的總的離心慣性力；已知，由公式（）、（）計算得到各個支座反力。 名義應(yīng)力的計算應(yīng)力計算的任務(wù)是求出曲拐上曲柄銷圓角處的名義應(yīng)力幅、和名義應(yīng)力的平均值、。一般情況，四缸機(jī)是在第二、三缸受到最大爆發(fā)壓力作用時曲軸所受的應(yīng)力最大，現(xiàn)選擇對第三缸曲拐進(jìn)行名義應(yīng)力計算：曲軸材料：QT9002，極限強(qiáng)度，對稱循環(huán)彎曲疲勞極限，對稱循環(huán)扭轉(zhuǎn)疲勞極限。然后計算圓角承受的扭矩： （） （）曲柄銷抗扭截面系數(shù)為： （）圓角名義切應(yīng)力為： （） （）最后得： （） （）計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值，則校核合格。要適應(yīng)這樣惡劣的工作條件，必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。（2）在活塞的頭部有三道環(huán)形槽，上邊兩道環(huán)形槽為氣環(huán)槽，下邊一條為油環(huán)槽。裙部頂端有兩個往里凸起的銷座。由于橢圓的長軸與短軸之間相差極小，所以建模時以圓形代替。（2）鏡像生成活塞的整個輪廓。（4）創(chuàng)建活塞頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。 活塞的建模步驟創(chuàng)建活塞1/4輪廓（1）運(yùn)用【偏移坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)工具】，選取基準(zhǔn)坐標(biāo)系，完成活塞輪廓點(diǎn)的創(chuàng)建。（2）運(yùn)用【拉伸工具】創(chuàng)建銷座模型并拉伸出通孔。（4）運(yùn)用【拉伸工具】，拉伸方式為“通孔”，選擇【去除材料】，創(chuàng)建裙部特征。（2）選取草繪平面，運(yùn)用【拉伸工具】，拉伸方式為【至曲面】，生成凸臺。（4）對生成的活塞銷孔邊和凸臺邊分別進(jìn)行倒圓角。鏡像生成整個活塞（1）在模型樹中選取整個模型，然后運(yùn)用【鏡像工具】，鏡像生成1/2活塞。創(chuàng)建頂部凹槽運(yùn)用【拉伸工具】，拉伸方式為【盲孔】，選擇【去除材料】，生成頂部凹槽。（2）選擇【陣列工具】，對上一步創(chuàng)建的特征進(jìn)行再生，生成一些活塞環(huán)槽護(hù)圈。：創(chuàng)建油孔（1）新建基準(zhǔn)平面，設(shè)置間距。（3）選擇【陣列工具】，修改陣列尺寸，完成1/2活塞的油孔創(chuàng)建，再通過鏡像完成整個活塞油孔創(chuàng)建。（2）連桿毛坯通過鍛造成型，因此，連桿體和連桿蓋都具有模鍛斜度，包括連桿體上的槽和凸臺。 連桿的建模思路連桿由連桿體和連桿蓋組成，所以可以對連桿體和連桿蓋分別建模，完成后進(jìn)行裝配。 連桿體的建模步驟 創(chuàng)建連桿體1/2桿身運(yùn)用【拉伸工具】，拉伸方式為【盲孔】，： 　 拉伸創(chuàng)建連桿體1/2桿身 　　 連桿大小端拉伸特征創(chuàng)建連桿體大小頭運(yùn)用【拉伸工具】分別創(chuàng)建連桿大小頭特征，創(chuàng)建連桿體兩側(cè)凸臺（1）選取草繪平面，運(yùn)用【拉伸工具】，生成一側(cè)凸臺。 創(chuàng)建連桿體拔模特征運(yùn)用【拔模工具】，設(shè)置“拔模曲面”和“拔模樞軸”，完成曲面拔模特征。鏡像生成完整連桿體特征運(yùn)用【鏡像工具】，選擇所有特征，生成完整的連桿體特征。創(chuàng)建連桿體小頭凸臺及孔（1）新建基準(zhǔn)平面，完成拉伸草繪，拉伸方式為【拉伸到下一個曲面】。創(chuàng)建連桿大頭內(nèi)側(cè)凹槽新建基準(zhǔn)平面，運(yùn)用【拉伸工具】，選擇【拉伸至指定深度】，【除料】，完成定位凹槽