498柴油机连杆的改进设计.pdf

第期总第期年月车用发动机设计计算柴油机连杆的改进设计屠丹红,姜树李,鱼春燕江苏大学汽车学院,江苏镇江摘要对柴油机的连杆机构进行三维非线性有限元分析计算,找出其薄弱部位并对其进行改进设计,通过改进前后模型的计算结果比较,发现改进后模型既增强了薄弱部位的强度和刚度,又保证了往复质量增加不大。在模型分析中涉及到接触和疲劳问题。关键词有限元分析连杆疲劳强度应力分析中图分类号文献标识码文章编号一一一连杆是发动机的重要零部件之一,其工作的好坏直接影响到发动机的可靠性。本文针对增压柴油机连杆,通过有限元分析进行改进设计,提高了原连杆几处最薄弱截面处的安全系数。原机连杆模型原机连杆模型是用于非增压机型的,增压中冷以后,最高燃烧压力提高了,原连杆已不能正常工作,在连杆大头与杆身连接部位发生断裂。为了全面了解连杆断裂的原因,对原连杆进行有限元分析。为了提高计算模型的精度,对连杆体和连杆盖未做任何简化。计算模型包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓、螺母、小头衬套、大头轴瓦、活塞销和曲柄销见图。因为连杆组件为对称结构,所以只取一半进行分析。该模型采用高阶面体单元节点,为提高网格质量,用软件对模型进行网格划分用面一面接触单元。和模拟连杆与连杆盖、轴瓦与曲柄销、衬套与活塞销之间的接触用单元模拟连杆螺栓的预紧力。为加速非线性计算的收敛速度,模型中轴瓦和小头衬套与连杆大小头孔之间的关系采用节点祸合的方式来模拟,并采用温差来模拟过盈量。整个模型单元数约为,节点数左右。力的边界条件取标定工况,某缸爆发时连杆承受最大压缩力,吸气行程开始时承受最大拉应力。其中包括惯性力、螺栓预紧力、轴瓦、衬套过盈力。图原连杆有限元模型位移边界条件在模型的对称剖分面上施加对称约束,为防止模型的刚性位移,在曲柄销中心节点上加全约束。用等效应力评估疲劳强度,一岩丫一,一一,式中应力为有效应力,。,。,。为主应力,平均有效和有效应力幅氏。为一岩一一岩一,式中,伪,山,氏分别为主应力的平均应力氏。,内。,。为主应力的应力幅。再用修正关收稿日期一一修回日期一一作者简介屠丹红一,女,浙江省玉环县人,硕士研究生,研究方向为内燃机连杆的有限元分析年月屠丹红,等柴油机连杆的改进设计系计算安全系数。经过软件后处理,得到连杆小头、连杆大头与连杆盖的安全系数云图见图和图。由图可见,连杆小头下部最小安全系数较小,最小只有在平面连杆小头与连杆杆身的圆弧连接处安全系数也很低小于,因为从连杆小头到杆身的过渡圆弧半径较小,使小头固定角较大,为,因此此处的强度和刚度均很低,造成应力突变,容易引起疲劳破坏另外在小头油孔处也有应力集中现象。由图可见,连杆螺母支承平台和连杆螺栓头部支承平台处安全系数偏小,此处是连杆和连杆盖的最薄弱环节,应力集中严重,其安全系数分别为和。在工作时,连杆螺母支承平台根部易出现疲劳裂纹而导致连杆大头断裂。改进的连杆模型可以看出,原连杆的刚度和强度明显不足但若增加连杆的质量,则往复惯性力增大,对整机的振动很不利。因此采用小弯矩连杆机构,并对连杆小头、活塞销和活塞销座的结构进行优化处理。优化结果是,当削头角度为,活塞销内径为,销座外径为时,小头油孔处最低安全系数为,往复质量达最小。由于原连杆小头油孔的不对称分布造成连杆小头应力和安全系数的不对称分布,严重时会使连杆杆身发生弯曲变形,这对曲柄连杆机构的高速旋转极其不利,从结构的等强度设计来讲也不合理。所以在连杆小头开两个对称油孔,每个油孔截面积为原来单侧油孔的,也能起到预期的冷却小头的作用。两种油孔的网格分布图如图所示。图网种佃寸网裕分布为了提高连杆小头与杆身过渡区的强度,改变圆弧的连接形式,将小头固定角减小到“,加强了车用发动机年第期连杆小头与杆身的过渡区。连杆小头孔是一薄壁套桶结构,两端面的最小壁厚只有,在增压工况下连杆小头孔下端刚度明显不足,产生较大的变形,形成局部高应力区另外连杆小头孔下端刚度不足会造成活塞销的挠度增加,这对活塞销座极其不利因为活塞材料为,其强度远低于材料为的活塞销,所以有必要加强连杆小头孔下端的刚度。为了不过多增大连杆小头的质量,在小头孔下端加一个半圆凸台,以提高下端刚度。由台架试验和计算分析可知,连杆大头与杆身的圆弧连接处容易发生疲劳断裂,所以在连杆大头和连杆盖螺栓、螺母支撑面处加四个半圆搭子,增大危险截面处的局部刚度。连杆杆身也是薄弱区域,杆身的失稳变形使活塞连杆机构不能正常工作但在结构上杆身不宜增大,否则会与气缸套发生干涉。所以在此次改进设计中杆身截面不变,在杆身下部加一根水平加强筋,提高杆身的结构刚度。改进前后的连杆模型如图所示。其他零件活塞、活塞销、小头衬套不做任何改变。改进后的模型与原连杆相比,往复质量增加了。,增量约为原来往复质量的连杆组件的总质量为,增加了写。模型的处理、计算单元的性质、网格的划分、工况计算、力的边界条件都与前面的计算相同。为加决计算速度,仍取模型,在对称面上加对称约束,在曲轴销加全约束。计算结果比较改进前,整个连杆的最小安全系数出现在小头孔底部,约为。见图。在改进后模型中,最小安全系数也出现在该部位,约为见图,比原模型提高了。图改进后模型的安全系数单侧油孔优化模型中的最低安全系数为,而改为对称油孔后,油孔的最小安全系数为见图,安全系数提高了。从图可以看出,原连杆小头与杆身的圆弧连接处安全系数偏低约为改进后小头孔下方增加了一个刚性凸台,该处的刚度大大增加了,安全系数也大幅度提高了,约为。杆身中间部位的安全系数仍较小,约为,与原模型差不多,这是由于杆身截面没有进行任何改动。大头与杆身的圆弧连接处的最小安全系数为接近对称面年月屠丹红,等柴油机连杆的改进设计处,其余都大于,可看出在杆身加水平加强筋可以增加连杆大头与杆身连接部位的安全系数,解决了连杆大头的疲劳断裂的问题。从图和图可以看出改进前后模型的平均有效应力的变化。原模型中最大平均有效应力为,而改进后的最大平均有效应力下降到改进后整个连杆小头的平均有效应力呈对称分布,更接近连杆的等强度设计油孔处的平均有效应力从原来的下降到大头部分的平均有效应力很小,无明显的应力集中现象。图改进后模型的平均有效应力云结论改进后连杆的往复质量增加了,整个连杆组件质量由增加到,约增加油孔处的安全系数提高了最小安全系数提高了在增压机型中,小头应采用刚性设计,增加小头孔下方的凸台以提高小头刚度是可行的在杆身下部加了水平加强筋后,连杆大头与杆身连接处的最小安全系数明显提高,为,而其他部位都大于,改善了此处的受力情况,可以解决连杆大头的疲劳断裂的问题连杆小头的支撑刚度提高后,连杆小头和活塞销在最高燃烧压力作用下的弯曲变形量减小,可以改善活塞销座圆角处的应力集中现象,提高活塞销座的可靠性在连杆大头和连杆盖螺栓