4110柴油机连杆设计及有限元分析

黑龙江工程学院本科生毕业设计本文以4110柴油机的相关参数作为参考，对四缸柴油机的连杆进行了结构设计和尺寸计算，并对连杆进行了运动学和动力学的理论分析，最后运用进行三维建模运用先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对连杆的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果，同时对连杆用材料进行了比较与分析。其次分别对连杆大头、连杆杆身以及连杆小头进行结构设计及尺寸计算，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用软件建立了连杆的三维几何模型，在此工作的基础上，又对静力作用下对连杆的两种特殊工况；拉伸、压缩工况下进行了受力计算，再将连杆三维几何模型导入格划分、施加约束和载荷，最后进行计算以达到对连杆进行强度校核的目的。关键词：柴油机；连杆；强度校核；摘要.第1 章 绪 论.选题的目的和意义.国内外的研究现状.设计研究的主要内容. 连杆的结构设计与分析.连杆的运动和受力分析.连杆的结构分析. 连杆的工作条件和设计要点.连杆的材料性能及特点.连杆基本参数的确定.连杆小头的结构设计.连杆杆身的结构设计.连杆大头的结构设计.连杆螺栓的设计.0本章小结. 连杆的强度、刚度计算.连杆小头的强度校核.连杆小头的刚度计算.连杆杆身的强度校核.连杆大头的强度校核.连杆螺栓的工作负荷与预紧力.连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算.本章小结. 连杆三维模型的建立及有限元分析.建立连杆大小头及杆身.建立连杆端盖.建立连杆螺栓.建立轴瓦及衬套.连杆工况选择与载荷计算.连杆几何模型的建立.约束条件.连杆应力分析.连杆安全系数计算.0本章小结.章 绪 题的目的和意义内燃机自十九世纪后期出现以来，经过一百多年的不断研究和改进，已经发展到比较完善的程度，它以热效率高、功率和转速范围宽广、比重量较小的优点，在动力机械中占有极其重要的地位，广泛应用于国民经济和军事装备的各个领域1。连杆是内燃机中的重要的传动零件之一，其作用是连接活塞与曲轴，将作用在活塞上的力传给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，对外输出做功。连杆小端工作时作往复运动，大端作旋转运动，杆身作复杂的平面运动，因此连杆的受力情况十分复杂。连杆是内燃机中承受负荷最严重的零件之一，工作时同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力和它本身摆动时所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化。在长期使用中，连杆会因活塞的剧烈推力和曲轴的高速运转等因素，出现弯曲和扭曲现象。连杆一旦出现弯曲和扭曲，除了会使活塞拉缸外，还会致使活塞、气缸、曲轴等机件出现不正常磨损，并很容易引起疲劳破坏而断裂，导致发动机故障，直接关系到使用人的安全，造成极严重的后果。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。现今随着计算机技术的迅速发展，特别是各种分析软件的日益成熟，在发动机研制开发过程中，对其零部件进行计算机数值模拟已成为辅助设计的重要手段。目前，有限元法已日趋成熟实用，所应用的领域也越来越广并发挥着越来越重要的作用。有限元方法是近似求解一般连续问题的数值方法，它最先应用于结构的应力分析，很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。对于一个连续体的求解问题，有限元法的实质就是将具有无限多个自由度的连续体，理想化为只有有限个自由度的单元集合体，单元之间仅在节点处向连续，从而使问题简化为适合于数值求解的结构型问题，工程设计人员使用这些系统，就可以高效而正确合理地确定最佳设计方案。此方法已成为工程技术领域不可缺少的的一个强有力的计算分析工具，其在发动机零部件的设计分析中的应用亦有了很大的进展。连杆在工作中所受的各种外载荷复杂且做周期性变化，而且，即使是同一类型的连杆，连杆与连杆之间的物性参数、几黑龙江工程学院本科生毕业设计2何形状也存在差异，因此，在分析连杆的应力和应变时，要考虑这些不确定的因素，才能得到更符合实际的结果。这就需要用到采用传统材料力学公式使得计算的结果更为精确的有限元方法对连杆进行三维应力应变分析，以研究其在不同情况下的应力、应变状态及危险部位2。柴油机是目前产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最好、最节能的机型。柴油机行业的发展对我国工业车用柴油机的发展越来越受到重视，成为柴油机行业增长速度最快的行业，也是我国大力发展的一个行业。车用柴油发动机市场按其配套车型可分为货车柴油机发动机市场和客、轿车用柴油机市场两大类。当前柴油发动机企业重点角逐的市场是轻型载货车柴油机市场和客、轿车柴油机市场。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。随着我国汽车事业的进一步发展，作为汽车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，以提高我国汽车制造的国产率。发动机连杆的研究是一个很复杂的、很有前景的研究领域，有很多需要完善和提高的地方。对发动机连杆精确的分析，可以为设计、生产、改进发动机提供可靠的相关数据和理论依据，缩短发动机的开发、改进的周期和成本，提高其可靠性和经济性。内外的研究现状随着国家经济长期稳定发展，汽车工业也得到飞速提高，国内近几年汽车产量和销量如下表：车产销量表年度 总产量 总销量 乘用车 商用车产量 销量 产量 销量07年 57077 中国成为了石油进口大国，每年需进口石油总产量的百分之三十。花了420亿美元，以后将会逐年增加。柴油车得平均油耗要黑龙江工程学院本科生毕业设计3低于汽油车百分之三十。以在发达国家，重型车使用柴油机占百分之百，轿车比例日益上升。2004年，欧盟新注册的轿车中，其中法国69，德国44；而在中国由于各方原因，轿车使用柴油机已成为发展潮流，前重车基本应用柴油发动机，而轻型车配柴油机只占33。据统计，2008年国内柴油市场达到190万台规模。其中40万台重型柴油机，27万台中、轻型柴油机，比06年增加83。轿车柴油发动机占比例虽然小，但轿车总量大，且柴油机品种在逐步增加，如捷达年玉柴研制出欧标准。云内柴油机同长城哈佛、奇瑞瑞虎配套。大众柴油机向奔驰集团年供12万台。还有一大批新款欧标准汽车柴油机正在研制之中。随着汽车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4。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，连杆的工艺设计黑龙江工程学院本科生毕业设计4只有通过现场的不断改善，才能最终达到设计的目标。采用三维模型进行产品开发，其过程如同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4。主要的研究内容有：析连杆中各种力的作用情况，并根据这些力对连杆的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核，以便达到设计要求。格按照柴油机设计手册的要求，进行了该柴油机连杆的设计，选定了连杆的结构型式、大小头及杆身的结构和尺寸，以及润滑方式、定位方式等，再进行强度和刚度的计算，完成连杆的设计过程。软件对连杆进行了三维几何建模，在利用括实体建模、定义材料属性、定义单元类型、网格划分；求解过程，包括施加约束、施加载荷、进行求解计算；后处理过程，包括结果的观察、分析和检验。经过这三个环节，就完成了基于龙江工程学院本科生毕业设计5第 2章 杆的运动和受力分析连杆是柴油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3。连杆组在工作时工作条件恶劣承受着三方面的作用力；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。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22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传给曲轴5。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。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6。“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：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；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，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。黑龙江工程学院本科生毕业设计7为了保证连杆在结构轻巧的条件下有足够的刚度和强度，本设计采用精选优质中碳结构钢模锻，表面喷丸强化处理，提高强度4。110柴油机主要性能参数气缸排列方式 直列四缸供油方式 多点喷射排量/L 10行程/25曲柄半径 95缸心距/35压缩比 16额定功率/0(2400r/均有效压力 0曲轴角速度 0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。因此在柴油机设计时,当运动件不与有关零部件相碰时,都力求缩短连杆的长度。连杆长度L（即连杆大小头孔中心距）与结构参数 （关。连杆长度越短，即越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高黑龙江工程学院本科生毕业设计8速化有利，但大，使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸相碰的可能性。在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是l=1/限大约是l=4R。连杆长度的确定必须与所设计的内燃机整体相适应，连杆设计完成后应进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于25毫米3。在机体的设计中，已经根据要求设计出连杆长度为195头结构型式现代内燃机绝大多数采用浮式活塞销，也就是说，在运转过程中活塞的销座中和在连杆的小头中都是能够自由转动的。本连杆的小头的设计采用薄壁圆环形结构，为了耐磨，在小头孔内还压有耐磨衬套。优点是构形简单、制造方便，材料能充分应用，受力时应力分布较均匀。连杆小头的构造如图2 铜衬套与活塞销的配合间隙大致在（采用粉末冶金衬套时，由于衬套压入后，内径会缩小，因此配合间隙应适当放大，一般大致在（d。在四冲程柴油机中，为减少小头轴承的冲击负荷，间隙应尽量取小些，以不发生咬合为原则。在小头上方开有集油孔或集油槽，靠曲轴箱中飞溅的油雾进行润滑。润滑油的均匀分布可通过衬套上开布油槽来达到。黑龙江工程学院本科生毕业设计9设计衬套宽度与连杆小头等宽，衬套的厚度一般为 ， 。头外径头孔直径油机B1据柴油机设计手册图表d ) 1 取11 d)1 应能在保证强度的前提下有尽量较轻的重量,此外,还要有利于该截面形状向大端、小端的过渡,因此柴油机连杆杆身常采用工字形截面。连杆杆身采用工字形截面，其长轴位于连杆摆动平面，这种截面对材料利用得最为合理，这是由于连杆在摆动平面内上下两端的连接相当于铰支，而在垂直连杆摆动平面的方向，其上下两头的连接则相当于两端固定的压杆，故后者稳定性好，允许的失稳临界力大。若想使连杆在相同载荷作用下，这两个平面内的稳定性相同，则必须统计23）使连杆在垂直摆动平面内有较大的抗弯能力。(为了使杆身能与小头和大头圆滑过渡，杆身截面是由上向下逐渐增大的。杆身的最小截面积与活塞面积之比，对于钢制连杆来说大约是在 1 125 30的范围内6。油机设计手册图表身截面宽度)(取 ，截面高度 ，取 。为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的黑龙江工程学院本科生毕业设计10圆角半径。头结构型式连杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径度杆轴瓦厚度2和连杆螺栓直径中2是根据曲轴强度、刚度和轴承的承压能力，在曲轴设计中确定。为了结构紧凑，轴瓦厚度2趋于减薄，因此，本处所谓设计大头设计，实际上是指确定连杆大头在摆动平面内某些主要尺寸，连杆大头剖分形式，定位方式，及大头盖得结构设计。连杆大头与连杆盖得分开面大多垂直连杆轴线，称为平切口连杆。由于平切口连杆的大头具有较大的刚度，轴承孔受力变形小及制造费用低，一般都采用这种结构。油机设计手册得到以下数据：) 2 取)2 2 则大头宽度 取 则大头孔直径D）（ 头凸台高度 221 ) ，取 1 ，取 2 ，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离 2) ，取 ，一般螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取5毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。杆螺栓的设计根据气缸直径d ，根据统计 ，取 。章小结本章在设计连杆的过程中，是很重要一环，先对连杆进行了运动分析、受力分析，而后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，还对连杆的材料性能及特点进行了比较与分析。之后分别确定了连杆小头、连杆杆身、连杆大头、以及螺栓的主要结构参数，还对各个部件的结构型式进行了分析。黑龙江工程学院本科生毕业设计12第 3章 连杆的强度、小头断面承受拉伸压力。若衬套材料的膨胀系数比连杆材料的大，则随工作时温度升高，过盈增大，小头断面中的应力也增大。此外，连杆小头在工作中还承受活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩，可见工作载荷具有交变性。上述载荷的联合作用可能使连杆小头及其杆身过渡处产生疲劳破坏，故必须进行疲劳强度计算，在两零件的配合表面，由于压入过盈及受热膨胀，小头所受的径向压力为： dd t 1 )(p 212 212221 221 （中：衬套压入时的过盈，般青铜衬套 ，取 ，其中： t 工作后小头温升,约 C 150100 ；连杆材料的线膨胀系数，对于钢 )/1( C ；黑龙江工程学院本科生毕业设计13衬套材料的线膨胀系数，对于青铜 )/1( C ；、 连杆材料与衬套材料的伯桑系数，可取 ；E连杆材料的弹性模数，钢 ；E衬套材料的弹性模数，青铜 ；计算小头承受的径向压力为： 36 2 22522 225 5 ）（ 按厚壁筒公式计算，外表面应力： 62 2221 2 2/表面应力： 2 22221 221 2/3.3）i 和a 的允许值一般为 150100 2/校核合格。小安全系数在杆身到连杆小头的过渡处的外表面上为： 1中： 1- 材料在对称循环下的拉压疲劳极限；21- 2N/取 21- 2/ 材料对应力循环不对称的敏感系数，取 ；a 应力幅， 41 a 2/黑龙江工程学院本科生毕业设计14m 平均应力， 41 m 2/ 工艺系数， ， 连杆小头的疲劳强度的安全系数在制造工况稳定情况下，般约在 围之内，基本符合要求。须计算连杆小头在水平方向由于往复惯性力而引起的直径变形，其经验公式为:6 2330 )90(P （中：连杆小头直径变形量，mm；连杆小头的平均直径，连杆小头断面积的惯性矩。 4331 则 01052 5 23 ）（）（对于一般发动机，此变形量的许可值应小于直径方向间隙的一半，标准间隙一般为 则校核合格。受到位于计算断面以上做往复运动的质量的惯性力的拉伸，在爆发行程，则受燃气压力和惯