第八部分连杆组

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1、第八章第八章 连杆组连杆组 连杆组的工作情况与设计要求 连杆的结构型式与结构设计 连杆材料与强化工艺 连杆螺栓设计 连杆强度计算 有限元法在连杆计算中的应用 教 学 内 容 第八章第八章 连杆组连杆组 教 学 目 的 了解连杆组的工作情况和设计要求 了解连杆的结构型式 掌握连杆大头 小头 杆身的结构设计 了解V型内燃机连杆的设计 掌握连杆材料与强化工艺 掌握连杆螺栓的设计 掌握连杆强度的计算 了解连杆组有限元分析方法 第八章第八章 连杆组连杆组 第一节 连杆组的工作情况与设计要求 一 工作载荷 纵向载荷 燃气作用力和曲柄连杆机构中往复惯性力引起 横向载荷 连杆杆身复合运动引起 小头衬套压入静载

2、荷 连杆螺栓静载荷 第一节 连杆组的工作情况与设计要求 二 满足的要求 首先保证足够的疲劳强度和刚度 必须尽可能地减小重量 疲劳强度不足 会造成连杆杆身或螺栓断裂 造成整 机破坏 刚度不足 会造成杆身弯曲变形及大头失圆变形 导 致活塞 气缸 轴承及曲柄销偏磨 加大连杆螺栓附加 弯矩 第二节 连杆的结构型式与结构设计 一 基本结构 1 普通连杆 直列 V型内燃机 优点 结构简单 互换性好 便于维修 杆身油路易安排 缺点 有错缸距 机体长度增加 错缸使隔板扭曲 刚度下降 2 叉形连杆 V型内燃机 优点 无错缸距 机体长度短 左 右排活塞连杆运动学相同 缺点 叉子部分强度与刚度较差 叉连杆取出难 修

3、理不便 3 主副连杆 V型内燃机 优点 可用较短曲柄销 较大地缩短机体长度 连杆大头有足 够的强度和刚度 这可保证曲柄销和连杆轴承有较好的润滑 缺点 主 副活塞运动不同 两排气缸的热力过程和功率输出 不同 副连杆对主连杆产生附加弯矩和附加侧压力 维修麻烦 第二节 连杆的结构型式与结构设计 二 连杆小头结构设计 工作条件 受力巨大 温度较高 100 120 尺寸小 轴承比压高 轴承表面相对运动速度低 不利于形成油膜 结构特点 浮式活塞销 薄壁圆环形结构 增压柴油机 做成梯形或阶梯形 强化柴油机 小头顶部厚度大于两侧 利于增大整体刚度 二冲程内燃机 小头顶部壁厚可以适当减小 连杆小头与杆身之间采用

4、双圆弧过渡 注意小头衬套与活塞销的间隙对小头应力的影响 间隙约 0 0004 0 00l5活塞销直径 衬套与小头内孔过盈配合 衬套材料有锡青铜 中小功率内 燃机 铅青铜 强化柴油机 及铁基或铜基粉末冶金 考虑留去重部位 小头的外表面应有拔模斜度便于模锻 第二节 连杆的结构型式与结构设计 三 连杆杆身结构设计 结构特点 Jx 2 3Jy 使连杆 在垂直摆动平面内有 较大抗弯能力 杆身断面高度H 0 2 0 3D 汽油机 0 3 0 4D 柴油机 杆身断面宽度 1 4 1 8 H 杆身断面由小头至 大头逐渐增大 第二节 连杆的结构型式与结构设计 四 连杆大头结构设计 结构特点 保证足够刚度 防止抱

5、轴 烧瓦 减磨材料剥落和连杆螺栓 因附加弯矩而折断 保证连杆体从气缸中通过 避免运动中与其它件干涉 较小的大头可减小旋转惯性力 减小轴承负荷与磨损 减小 平衡重 连杆螺栓中心线应尽量靠近轴瓦 可以减小大头承受弯矩 杆身到大头的过渡应尽可能圆滑 螺栓支承面到大头的过渡处应用较大的过渡半径或沉槽 高强化内燃机可采用斜切口连杆 大头盖采用锯齿 或套筒定位 保证大头盖有足够刚度 防轴瓦变形 可以采用加强筋 第二节 连杆的结构型式与结构设计 五 v形内燃机的连杆 并列连杆 结构特点 结构基本上与直列式内燃机上的一样 多数v形内燃机的并列连杆采用斜切口 拆装螺钉带方便 为了左 右排螺钉都容易拆装 斜切口的

6、方向必须相反 为了减小错缸距 将连杆杆身与大头作成偏置 大头轴瓦倒角在靠近曲柄臂一侧较大 另一侧很小 避 免过多破坏曲柄销的油膜承载能力 第三节 连杆材料与强化工艺 一 材料 连杆 具有较高的疲劳强度和冲击韧性 汽车 拖拉机及其它小型内燃机常用45 40Cr 40MnB 等中碳钢锻造 某些小功率内燃机用球墨铸铁制造 强化内燃机用42Cr M o 18 Cr2A 等合金钢 大头盖螺栓 具有高的弹性极限和耐冲击性 用合金钢40Cr 35CrNi M o 18Cr2Ni4wA等 第三节 连杆材料与强化工艺 二 强化处理 对于锻钢连杆应选择适当的热处理规范 采用表面喷丸处理后 疲劳强度提高约45 合金

7、钢采用抛光减小粗糙度 达到提高疲劳强度的目的 第四节 连杆螺栓 一 连杆螺栓受力分析 静载部分 保证大头紧固可靠 并使连杆轴瓦紧贴大头孔内 动载部分 内燃机运转后 螺栓还要承受往复惯性力以及除去大头 盖后的大头旋转质量的离心力 附加弯曲力 大头的刚性不足 加工过程中造成的零件形状偏差 螺 栓头部结构不合理等 第四节 连杆螺栓 二 螺栓预紧过程 1 轴瓦接触 大头与大头盖未接触 所有零件未受力 2 轴瓦压缩 螺栓被拉伸长 1 螺栓与轴瓦受力相等 P1 大头结合面贴紧 末受力 3 连杆大头压缩缩短 2 螺栓继续拉伸 2 连杆大 头与螺栓所受之力达到静 力最大值 均为P1十P2 4 内燃机工作后 由

8、于惯 性力的作用 螺栓继续伸 长 3 大头部分相应放松 卸载后 大头仍有残余压 紧力P0 第四节 连杆螺栓 三 螺栓预紧力的确定 X 螺纹连接基本负荷系数 X 螺栓刚度 螺栓刚度 连杆大头刚度 0 2 0 25 P0 残余压紧力 0 oa的斜率 螺栓刚度 ba的斜率 连杆大头刚度 cb的斜率 轴瓦刚度 Pj 工作时的动载荷 P2 2 2 5 Pj max P S s n s 材料屈服极限 n 安全系数 n 1 5 2 第四节 连杆螺栓 四 螺栓预紧力的保证 通过直接测量螺纹伸长量来控制预紧力 通过材料屈服极限来控制预紧力 第四节 连杆螺栓 五 提高连杆螺栓疲劳强度的措施 增加螺栓的个数 减小每

9、个螺栓的受力 通过增大连杆大头刚度 减小螺栓刚度 来减小基本负荷 系数x 可以减小应力幅值 螺栓过渡圆角半径 根部圆角半径等处采用大圆角 避免 应力集中 螺栓头支承面尽量采用对称结构 减小附加弯曲应力 采用冷墩成型工艺 用滚压法制造螺纹 第五节 连杆强度计算 一 连杆小头的强度计算 衬套过盈配合的预紧力及温升产生的应力 最大惯性力引起的应力 最大压缩力引起的应力 连杆小头的疲劳安全系数 连杆小头的变形计算 第五节 连杆强度计算 二 连杆杆身的强度计算 连杆杆身最大拉伸应力计算 连杆杆身的压缩应力计算 连杆杆身的纵向弯曲应力计算 连杆杆身的安全系数计算 第五节 连杆强度计算 三 连杆大头的强度计

10、算 作用于大头盖中间断面的弯矩 作用于大头盖中间断面的法向力 在中间断面的应力 一 计算目的及内容 对淮海发动机厂所设计的HH471QE汽油机连杆进行有限 元分析评估 并初步估算该连杆的疲劳寿命 对连杆进行有限元静力分析 考虑预紧 工况和拉伸 爆压工况 计算的发动机工作状态为转 速是5300rpm 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 二 连杆有限元计算 1 实体模型 采用三维实体建模 连杆螺栓和曲轴 则根据刚度等效原则简化 2 结构离散 采用四节点四面体剖分网格 3 边界条件 如下 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 载荷边界 预紧工况 拉伸工况 压缩工况 第六节 有限元法在连杆计算中的应用

11、二 连杆有限元计算 三 连杆计算结果 拉伸最大主应力迹 线图 拉伸时 大 头区连杆螺栓沉孔 根部的最大主应力 比较大 螺母处的 应力达到225 2 MPa 小头过渡弧处的 最大主应力为150 3 MPa 小头内侧的 最大主应力达173 8 MPa 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 三 连杆计算结果 拉伸等效应力 图 大头区连 杆螺栓沉孔根 部的等效应力 比较大 螺栓 帽处的应力达 到333 9 MPa 小头处的最 大等效应力为 160MPa 位 置在小头孔内 表面 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 三 连杆计算结果 压缩最小主应力 爆压工况下 在螺栓沉头孔 根部部位的最小主应力比较大 螺栓

12、帽处的应 力为 273MPa 应力值有点偏大 在连杆小头 承压部位 应力达到 245 9MPa 杆身区的最 大应力为 272 5MPa 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 压缩等效应力 爆压工况 螺栓 沉头孔根部部位 的等效应力比较 大 螺栓帽处的 应力为276 7 MPa 应力值有 点偏大 在连杆 小头承压部位 应力达到224 5 MPa 杆身区的 最大等效应力为 274 8MPa 三 连杆计算结果 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 拉伸变形 拉伸工况下 连杆小头孔横向变形收缩 0 0286mm 连杆小头孔横向收缩小于57 26 的平均轴套 间隙 纵向变形拉长0 0304mm 根据 内燃机

13、设计 P220 衬套内孔与活塞销之间 的间隙约为0 0004 0 0015d d为活塞销直径 活塞销直 径为18mm 活塞销的最大变形量小于 0 02 0 05mm 则0 02863 0 05 57 26 三 连杆计算结果 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 压缩变形 压缩时小头孔横向变形增宽 0 00127mm 纵向变形加长0 01226mm 大 头孔纵向收缩小于0 00487mm 其相对间隙小 于允许的连杆轴瓦的相对间隙值 0 7 1 0 三 连杆计算结果 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 四 连杆寿命估算 连杆受力谱 连杆材料S N 曲线 连杆寿命初 步估算为 9 0e5次 结论 连杆

14、 大头螺栓沉 孔部位安全 系数偏低 1 6 安全系 数为2 连杆 需要改进 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 五 连杆螺栓有限元分析计算 三维建模 四节点四面体单元 边界条件 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 六 连杆螺栓有限元计算结果 拉伸最大主应力 拉伸等效应力 拉伸变形 最大等效应力608MPa小于强度极限 第六节 有限元法在连杆计算中的应用 第二节 连杆的结构型式与结构设计 二 连杆小头结构设计 第二节 连杆的结构型式与结构设计 二 连杆小头结构设计 第二节 连杆的结构型式与结构设计 二 连杆小头结构设计 第二节 连杆的结构型式与结构设计 四 连杆大头结构设计 第二节 连杆的结构型式与结构设计 四 连杆大头结构设计 斜切口连杆 可加大曲柄销的直径 0 67一0 80D 只能采用螺钉或螺柱 这位螺钉距离 有所增加 连杆体有所削弱 而且这 杆螺钉承受了剪切力 斜角一般在30一60之间 斜切口的方向与曲轴转向有关保持较 好的液体润滑 第二节 连杆的结构型式与结构设计 四 连杆大头结构设计 斜切口连杆