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1、第八章 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 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 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； 小头衬套压入静载荷； 连杆螺栓静载荷。,第一节 连杆组的工
2、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，修理不便 (3)主副连杆：V型内燃机 优点
3、：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(100120)；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双圆弧过渡 注意小头衬套与活塞销的间隙
4、对小头应力的影响，间隙约0.00040.00l5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=23Jy，使连杆在垂直摆动平面内有较大抗弯能力 杆身断面高度H0.20.3D(汽油机)，0.30.4D(柴油机) 杆身断面宽度（ 1.41.8 ）/ 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：防止抱轴、烧瓦、减磨材料剥落和连杆螺栓因
5、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，斜切口的方向必须相反 为了减小错缸距，将连
6、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%； 合金钢采用抛光减小粗糙度，达到提
7、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
8、，由于惯 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)；=0.20.25 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=22.5 Pj/max P/S=s/n s：材料屈服极限 n：安全系数，n=1.52,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
9、小每个螺栓的受力。 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
10、强度计算,三、连杆大头的强度计算,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
11、工况；压缩工况,第六节 有限元法在连杆计算中的应用,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
12、小主应力比较大，螺栓帽处的应力为-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 根据内燃机设计
13、（P220），衬套内孔与活塞销之间的间隙约为0.00040.0015d（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（0.020.05mm），则0.028630.05=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（0.71.0）,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：连杆大头螺栓沉孔部
14、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,
