第五章连杆设计

1、第五章 连杆组设计51 连杆的工作条件与设计要求一、工作条件通常的损坏形式为疲劳断裂。四冲程发动机的连杆既受拉又受压；二冲程发动机总是受压。连杆杆身受到摆动惯性力的力矩作用，杆身刚度不够时易失稳。连杆大头刚性不足会影响连杆轴承的正常工作。二、设计要求：1、保证连杆有足够的疲劳强度；2、保证连杆有足够的刚度，特别应避免连杆大小头孔的变形过大，以保证连杆轴承与衬套工作可靠，并力求减小给连杆螺栓增加附加的弯曲应力；3、质量尽可能小； 4、保证连杆大小端轴承、衬套工作可靠，有足够的的耐磨性和疲劳强度，以适应柴油机强载度增大和降低维护费用、延长检修期的要求。 为此连杆材料要求有较好的综合机械性能（包括强

2、度极限、疲劳极限、冲击韧性、延伸率及断面收缩率）、良好的工艺性。为此还需适当的热处理等措施进行强化。一般强载度用优质中碳钢（35，45），中等强载度用40Cr，高强载度用35CrMo、42CrMo等优质高强度合金钢。52 连杆结构设计一、连杆小头 柴油机柴油机 汽油机汽油机d1= (0.350.38)Dd1= (0.250.30)DB1=(0.951.05)d1B1=(1.21.4)d1d=(1.11.25)d1d=(1.051.15)d1二、连杆杆身 1、 杆身截面形式截面惯性矩2、连杆长度连杆长度的确定的原则：保证发动机结构紧凑和轻量化，根据发动机整体布置，保证连杆在运动时不与其它机件相碰

3、的条件下具有最短长度。衡量参数为=r/l，大致范围：1/3.21/3.8。估算如下：满足平衡块不碰活塞时：11112(2 )dlS满足曲拐不碰活塞时：22112(2 )dlS满足连杆不碰缸孔下缘时：23210.051.05SlDSh比较上述各式，取最大的值短行程发动机连杆长度的确定短行程发动机连杆长度按下式计算：(12 )2()12DS DV型发动机的连杆大头型式有三种，如图所示： 并列式叉骑式主副式（关节式）三、连杆大头有两种型式：平切口、斜切口如右图所示，高速内燃机要求能将活塞与连杆一起从气缸中取出，因此要求为满足此要求，对于直开口连杆大头，允许的曲轴连杆轴颈直径D2为超出此范围则必须采用

4、斜开口。DD)72. 065. 0(220122()BDtdD采用斜切口后带来两个问题：螺栓受剪切、连杆大头因结构不对称而导致刚性不均匀。为解决第一个问题，要采用如图所示的定位措施： 第二个问题如图所示，由于结构不对称，刚度不等，应力分布不同。如图所示为某斜切口连杆的应力分布及曾经出现裂纹的部位：图中是首先出现裂纹的部位，原因是此处应力较大，且有螺栓载荷及螺纹应力集中，造成疲劳断裂；、是由于连杆受拉时在该处有弯矩及小圆角过渡的应力集中引起；、为大端弯曲应力所致。这些问题只能通过改进设计来解决。发动机连杆制造最新技术断裂分形连杆传统的连杆大头剖分面及连杆螺栓传统的连杆大头剖分面的缺点： 为了保证

5、连杆与连杆盖的径向定位，在连杆和连杆盖上加工了凹凸槽。凹凸槽之间为空间配合，尺寸公差要求非常严格，不仅加工要求高，装拆也很困难。同时，因凹凸槽存在加工及装配误差，使连杆与连杆盖结合面减小，工作中结合面应变增加，必然导致连杆大头孔失圆，影响油膜及连杆瓦的可靠性。尽管如此，凹凸槽也仅能解决连杆与连杆盖的径向定位问题，轴向定位还需要连杆螺栓来完成 为简化连杆加工，从材料断裂力学原理中得到启发，美国和德国于80年代末分别发明了连杆分离面裂断加工技术，并很快应用于轿车粉末烧结材料连杆上。随着非调质高碳钢的问世，国外裂断技术的应用也由最初的轿车连杆逐渐发展到卡车连杆，应用范围越来越广泛。随着一汽大众和上海

6、大众的产品引进，裂断技术及相关产品在我国也得到应用 中碳钢拉伸断面形貌 球墨铸铁件拉伸断面形貌断裂分形工艺要求：1、材料在满足强度条件下，延伸率尽可能低 ，适合的材料如粉末冶金、非调质中高碳钢、球墨铸铁等2、结构上应保证预设分形面处截面最小，螺栓孔外侧不允许加工，以保证分形面质量3、为保证断面的很好复合，应施加正应力，并在连杆初加工后预制应力槽断裂分形面连杆大头及连杆螺栓 断裂分形连杆总成 断裂分形连杆的优越性：1、减少了机加工工序（约3040%）、减少工、夹具数量（约30%），降低生产成本（约1520%）优化了连杆结构和结合面定位、加工工艺流程。2、提高了连杆与连杆盖的定位精度与装配质量3、

7、提高了连杆的承载能力、抗剪能力和疲劳安全系数目前存在的主要问题： 只有少数材料可以采用断裂分形工艺，采用常用材料实现连杆断裂分形尚需进一步研究。53 连杆强度计算连杆强度计算包括连杆杆身、大小头端部等几个部位的计算，目的是求出受交变载荷下各部位的应力值，作疲劳强度校核，得出安全系数。采用有限元法计算时，可以进行优化设计。如图所示为四冲程机连杆的受力简图。（1）受拉时杆身的最大拉力可从PC图上找到（负的最大值）；小头载荷为活塞在上止点时的最大惯性力，并要与小头衬套过盈配合的压紧力（均布）合成；大头载荷为活塞上止点最大惯性力与连杆大端离心惯性力之和，并与连杆轴承压紧力（均布）合成。（2）连杆受压时

8、连杆为压杆，杆身的最大压力为PC图上找到的最大值，计算杆身应力时，还要考虑杆身的附加纵向弯曲应力，因支承方式不同，此应力在摆动平面以及摆动平面的垂直平面内各不相同；小头载荷为气缸内最大爆发压力与活塞组的惯性力的合力（两者方向相反），并考虑小头衬套过盈配合的压紧力（均布）；大头载荷为PC图上找到的最大值与连杆大头离心惯性力的合力（两者方向相反），并考虑连杆轴承压紧力（均布）。 最后根据不同受力情况求出应力、应力幅，最后得到各部位的安全系数。 第三节第三节 连杆螺栓设计连杆螺栓设计一、连杆螺栓的工作负荷和预紧力一、连杆螺栓的工作负荷和预紧力二、螺拴疲劳强度和防松性能的提离二、螺拴疲劳强度和防松性能

9、的提离用扭矩法间接控制预紧力。用扭矩法间接控制预紧力。二次拧紧法二次拧紧法检测螺栓伸长量检测螺栓伸长量塑性域紧固法塑性域紧固法该法的优越性由图该法的优越性由图816显而易见。将螺拴显而易见。将螺拴紧固到屈服点，可使所需的预紧力受摩擦系数的紧固到屈服点，可使所需的预紧力受摩擦系数的影响减小。屈服点的离散依从于螺栓强度的离散，影响减小。屈服点的离散依从于螺栓强度的离散，其值很小，所以可实现高精度的紧固。其值很小，所以可实现高精度的紧固。 三、提高连杆螺栓疲劳强度的措施：三、提高连杆螺栓疲劳强度的措施：11、减少螺栓承受的变动负荷。、减少螺栓承受的变动负荷。1）、提高连杆大头的刚度。）、提高连杆大头的刚度。2）、采用柔性螺栓，降低螺栓刚度。）、采用柔性螺栓，降低螺栓刚度。2、尽量减少应力集中。、尽量减少应力集中。圆角处，螺纹根部，尾部，光洁度。圆角处，螺纹根部，尾部，光洁度。3、减少附加的弯