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1、第一章 绪 论1.1 课题的意义及主要工作1.1.1 课题的背景和意义近百年来，柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低，在各型民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了其主导地位。新材料、新工艺、新技术的不断开发使用，为柴油机注入了新的活力，使其在动力机械，尤其在船舶动力方面依然发挥着无法替代的作用。据统计，在 2000吨以上的船舶中， 柴油机作为动力的超过 95，预计这一情况仍将持续下。受油价的影响，以及一些柴油机的缺点（比如烟度和噪声）被一一克服，现在在乘用车市场，柴油动力开始渐渐显示其独特魅力。但是，由于受各种因素的影响，我国的柴油机研究还是落后于世界先进水平。经历多年的市场实践，国内柴油发动机
2、生产企业已不再满足于凭借引进产品获得市场上的暂时领先，而认识到核心技术是最关键的，只有通过引进、消化、吸收的途径，自己掌握了核心技术，企业才会有发展后劲并获得可持续发展的条件。随着我国造船事业的进一步发展，作为船舶配套中最重要的一个环节，柴油机技术的发展瓶颈已日益凸显。因此，必须研发具有我国自主知识产权的柴油机，以提高我国船舶制造的国产率。发动机是船舶的心脏，而发动机连杆则是承受强烈冲击力和动态应力最高的动力学负荷部件，其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力,会使连杆杆身发生形变，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作,使机械效率下降。重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化
3、，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。因此对其刚度和强度提出了很高的要求。以往，连杆的的制造以铸造法和锻造法为主；20世纪80年代以来，由于采用粉末锻造法大批量生产的粉锻连杆具有力学性能优、尺寸精度高、质量较轻及质量偏差很小等特点，因而相继在发达国家快速发展，逐渐取代铸造和锻造连杆。而高密度烧结法制造连杆也快速发展，并具有良好的力学性能。1.1.2 主要工作本课题的工作可以分为三大部分。第一部分为连杆的结构和基本尺寸的设计过程；第二部分为运用UG对所设计的连杆进行三维建模装配；第三部分为柴油机连杆的有限元分析及强度校核。1.2 柴油机数字化建模技术采用三维模型进行产品开发，其过程如同
4、实际产品的构造或加工“制造”装配过程一样反映产品复杂的几何形状及相互之间的位置或装配关系，使产品开发过程更加符合开发工程师习惯和思维方式。这样，工程师可以更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示。利用三维装配模型实现动态模拟后，可以进行干涉检验，还可以观察模型中某点的运动轨迹，绘出位置速度、加速度曲线，并分析其运动特征，为相关计算提供依据，保证了产品开发的可靠性，同时有利于缩短产品的开发周期。目前，我国船舶柴油机的研发、生产制造已具有一定的基础，具备了一批科研、开发、试验、制造等基础设施条件。表现在各研发机构和生产部门在单项上基本积累了初步的研发、制造经验，引进了一些较为先进的计算设计仿真
5、软件。但是，由于国内研发体系起步较晚，技术深度不足，总体技术水平还是较差。数字化设计技术是实现大型复杂装备系统快速研制的必要手段。本课题对数字化设计在船用柴油机设计中的技术进行基础性研究，并将该技术应用于某型柴油机的研发中，这对船用柴油机实现设计、制造的集成 ，缩短柴油机研制周期 ，降低研发成本，实现我国船舶工业跨越发展有着一定的推动作用。1.3 有限元分析法在产品设计中的应用当前，有限元分析技术在发动机零部件设计过程中发挥着越来越重要的作用，它不仅缩短了设计周期，而且也大大提高了设计精度。连杆是发动机中重要零件，也是易发生故障的零件，目前对它的设计、分析已广泛地采用有限元法。1.4 本章小结
6、本章主要介绍了本课题的工程研究背景和主要工作，并简单介绍了数字化建模技术和有限元分析在柴油机连杆设计校核方面的应用。第二章 连杆结构设计特点及基本加工工艺2.1国内外研究现状及存在的问题2.1.1 船用高速柴油机的特点及发展现状近年来，我国船用柴油机的技术水平获得较大发展，通过技术引进，不但使我们掌握了国外柴油机先进技术，同时对我国柴油机制造工厂进行了相应的技术改造，补充和更新了一批关键工艺装备，健全了工厂的基础设施，加强了质保管理系统，相应培养了一批专业人才，积累了他们对先进柴油机的制造和试验的经验，在消化、吸收国外先进技术同时，给我国自行研制柴油机奠定了良好的基础。与此同时，在各研究设计院
7、所、高等院校和制造企业通力合作下，我国也研制了不少新一代船用柴油机产品，通过大量研究和试 制工作，也取得 了不少丰硕成果。80年代初以来，我国陆续引进了一些较先进机 型的生产许可证，如 Deutz MwM604B和 234，$20， ATL25，DL22，SEMT Pielstiek PA6 和 PC2，MTU331396等，1991年又引进了 MTU956116302。其中，有的机型已投产，有的正在准备投产，这些对我国柴油机的发展起到了积极作用。在吸收国外先进技术的同时，我国对老机型作了改进提高，如 12VE230柴 油 机 将 功 率 从 1618kW 提高到 2426kW，同时也开发了一
8、些新机型。但总的说来， 我国现有的船用柴油机主要技术指标如强载度、可靠性和燃油消耗率等与国外先进机型相比，尚存在不少差距。 我国船用中高速柴油机产业发展现状是：设计、研究和生产体系初具规模，总体水平不高，关键零部件制造工艺落后，达不到高质量水平。2.1.2 连杆设计制造的现状与特点随着汽车、船舶等工业制造技术的发展，对于发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大发动机研制公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。目前，碳素钢和合金钢连杆、非调质钢连杆、粉末冶金连杆、钛合金连杆等都有很广泛的应用，但在力学性能、生产成本等各
9、个方面又各有优劣。非调质钢由于其材料的成本不高，作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步地取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求，目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料可节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗可节；但前些年由于金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。钛合金连杆可大幅度地降低连杆的质量，但金属钛的抗拉强度比较低。高强度、轻量化、低成本是发动机连杆的发展趋势，我国的发动机锻钢
10、连杆制造技术与国外差距不大，但在连杆轻量化方面还相当落后。我国的钛合金连杆、纤维强化铝合金连杆、粉末冶金锻造连杆的研究才刚刚起步。虽然连杆加工本身所包括的工艺内容并不复杂，但由于材质、外形尺寸以及要求的加工精度，经常给加工带来不少困难。锻造毛坯的精度及刚性差、孔加工的精度低、连续带状切屑的断屑、平面加工的毛刺、因夹压和内应力的重新分布而产生的几何变形等，是加工工艺长期以来需要研究和解决的主要技术问题。所以，连杆的工艺设计只有通过现场的不断改善，才能最终达到设计的目标。2.2 连杆的结构设计特点分析在分析连杆的设计结构之前,应充分了解连杆的运动情况和受力情况。2.2.1 连杆的运动分析连杆是柴油
11、机传递动力的主要运动件,在机体中作复杂的平面运动,连杆小头随活塞作上下运动,连杆大头随曲轴作高速回转运动。连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。其作用是将活塞顶的气体压力传给曲轴。又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。2.2.2 连杆的受力分析连杆组在工作时工作条件恶劣承受着三方面的作用力；(1) 气缸内的燃气压力；(2) 活塞连杆组的往复运动惯性力；(3) 连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。这三种力的大小和方向随着曲轴转角的变化而不断地变化。综合起来的结果使连杆处于一种交变的复杂受力状态。由于连杆为一细长杆件，当受压缩和横向惯性力作用时，若连杆杆身刚度不足，则会产生弯曲变形。若在垂
12、直于摆动平面内发生弯曲，则危害更大，造成轴承不均匀磨损，甚至烧瓦。2.2.3 连杆的结构分析连杆组一般由连杆体、大头盖、连杆螺栓、轴瓦和连杆小头衬套等组成。连杆体包括连杆小头、杆身和连杆大头的上部。连杆大头的上部与连杆大头盖一起组成连杆大头。连杆结构如图2-1所示：1- 连杆衬套2- 连杆小头3- 连杆杆身4- 连杆螺钉5- 连杆大头6- 连杆轴瓦7- 连杆端盖8- 连杆轴瓦凸键9- 连杆轴瓦定位槽图 2-1 连杆结构图连杆把活塞和曲轴连接起来，连杆小头与活塞销相连接，并与活塞一起作往复运动；连杆大头与曲柄销相连接，和曲轴一起作旋转运动；连杆的其余部分则作复杂的平面运动。作用于活塞上的力经连杆
13、传给曲轴。连杆必须具有足够的结构刚度和疲劳强度。在力的作用下，杆身应该不致被显著压弯，连杆大小头也应该不致显著失圆。杆身弯曲会使活塞相对于气缸、轴承相对于轴颈发生歪斜；也的失圆会使轴承失去正常配合。如果强度不足，在发动机动转过程中一旦发生连杆杆身、大头盖和连杆螺栓断裂，就会使机器受到严重的破坏。2.3 连杆的工作条件和设计要点连杆在高速运动中承受由活塞组传递的气缸压力和往复惯性力的反复压缩和拉伸，由此可能产生疲劳破坏，是内燃机主要受力运动件之一。连杆大小头轴承的润滑条件苛刻，工作中反复受到挤压和冲击。“小体积、大功率、低油耗”是高性能柴油机对连杆提出的基本要求，其设计要点如下：(1) 在确保足
14、够强度和刚度的条件下尽可能减轻外形尺寸和质量；(2) 注意过渡圆角及细节的设计，特别是连杆小头与杆身的过渡圆角及连杆大头盖的螺栓支承面的过渡圆角设计，防止应力集中；(3) 必须根据总体设计的要求合理确定结构参数和连杆体与连杆盖的剖分形式。2.4 连杆的材料性能及特点柴油机连杆在整个工作过程中受拉伸、压缩以及惯性力和连杆力矩所生成的交变的载荷，尤其是大功率柴油机的工作条件更差，因此必须保证连杆具有足够的疲劳强度及结构刚度。这就要求在连杆材料的选择上针对具体的柴油机而采用高强度材料并辅以综合措施。目前用于连杆的材料多为中碳钢，而对大功率柴油机连杆则多采用高强度合金钢。柴油机连杆选用中碳合金优质钢，
15、选用中碳合金钢是因为它经过调质热处理之后能够发挥良好的机械性能加进少许合金元素是为了再提高其机械性能在钢中加入锰元素使钢具有较高的拉伸强度极限、较高的硬度及较好的韧性；加入少量铬不但能大幅度提高拉伸强度极限和硬度，还能增加钢在热处理时的稳定性；钼加入钢中能使钢具有较大的强度极限、屈服极限和很好的塑性。这种钢经过热处理后具有纤维断面,这对受冲击、受交变载荷的连杆特别有用。2.5 本章小结本章内容主要是为了连杆的设计与计算作铺垫，对连杆设计结构特点进行了简要地分析，并说明了连杆的工作条件和设计要点，同时对连杆用材料进行了比较与分析。第三章 连杆的基本设计3.1 连杆结构及长度的确定单列式柴油机的连杆，根据大头的结构一般可分为平切口、斜切口连杆及分体式连杆。多列式柴油机的连杆有并列连杆、叉形连杆、主副连杆等类型。本论文所设计的某船艇用柴油机已知的技术参数数据为：功率P=190KW 转速 n=2500r/min 六缸水冷 四总程 直列缸径 D=130mm 行程123.5mm 单缸容积 1.64L六缸排量9.84L平均有效压力 0.927MP缸心矩 169mm 曲柄半径 61.75mm连杆长 221.5mm压缩比 16增压度 30连杆的长短直接影响到柴油机的高度及侧压力的大小,较长的连杆能使惯性力增加,而同时在侧压力方面的改善却不明显。因此在柴油机设计
