第八章連桿組

第八章連桿組第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第八章連桿組第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日教學(xué)目的了解連桿組的工作情況和設(shè)計(jì)要求了解連桿的結(jié)構(gòu)型式掌握連桿大頭、小頭、桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，了解V型內(nèi)燃機(jī)連桿的設(shè)計(jì)掌握連桿材料與強(qiáng)化工藝掌握連桿螺栓的設(shè)計(jì)掌握連桿強(qiáng)度的計(jì)算

了解連桿組有限元分析方法第八章連桿組第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)連桿組的工作情況與設(shè)計(jì)要求一、工作載荷

縱向載荷：燃?xì)庾饔昧颓B桿機(jī)構(gòu)中往復(fù)慣性力引起；橫向載荷：連桿桿身復(fù)合運(yùn)動(dòng)引起；小頭襯套壓入靜載荷；連桿螺栓靜載荷。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)連桿組的工作情況與設(shè)計(jì)要求二、滿足的要求

首先保證足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度必須盡可能地減小重量疲勞強(qiáng)度不足，會(huì)造成連桿桿身或螺栓斷裂，造成整機(jī)破壞剛度不足，會(huì)造成桿身彎曲變形及大頭失圓變形，導(dǎo)致活塞、氣缸、軸承及曲柄銷偏磨，加大連桿螺栓附加彎矩第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、基本結(jié)構(gòu)(1)普通連桿：直列、V型內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，互換性好，便于維修；桿身油路易安排缺點(diǎn)：有錯(cuò)缸距，機(jī)體長度增加；錯(cuò)缸使隔板扭曲，剛度下降(2)叉形連桿：V型內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)：無錯(cuò)缸距，機(jī)體長度短，左、右排活塞連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)相同缺點(diǎn)：叉子部分強(qiáng)度與剛度較差；叉連桿取出難，修理不便(3)主副連桿：V型內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)：可用較短曲柄銷，較大地縮短機(jī)體長度，連桿大頭有足夠的強(qiáng)度和剛度，這可保證曲柄銷和連桿軸承有較好的潤滑。缺點(diǎn)：主、副活塞運(yùn)動(dòng)不同，兩排氣缸的熱力過程和功率輸出不同；副連桿對(duì)主連桿產(chǎn)生附加彎矩和附加側(cè)壓力；維修麻煩第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、連桿小頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作條件：受力巨大；溫度較高(100～120℃)；尺寸小、軸承比壓高；軸承表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度低，不利于形成油膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

浮式活塞銷，薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)~增壓柴油機(jī)，做成梯形或階梯形強(qiáng)化柴油機(jī)，小頭頂部厚度大于兩側(cè)，利于增大整體剛度二沖程內(nèi)燃機(jī)，小頭頂部壁厚可以適當(dāng)減小連桿小頭與桿身之間采用雙圓弧過渡~注意小頭襯套與活塞銷的間隙對(duì)小頭應(yīng)力的影響，間隙約0.0004～0.00l5活塞銷直徑。襯套與小頭內(nèi)孔過盈配合，襯套材料有錫青銅(中小功率內(nèi)燃機(jī))、鉛青銅(強(qiáng)化柴油機(jī))及鐵基或銅基粉末冶金?？紤]留去重部位小頭的外表面應(yīng)有拔模斜度便于模鍛第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三、連桿桿身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

Jx=2～3Jy，使連桿在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)有較大抗彎能力桿身斷面高度H＝0.2～0.3D(汽油機(jī))，0.3～0.4D(柴油機(jī))桿身斷面寬度（1.4～1.8）/H桿身斷面由小頭至大頭逐漸增大。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四、連桿大頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

保證足夠剛度：防止抱軸、燒瓦、減磨材料剝落和連桿螺栓因附加彎矩而折斷保證連桿體從氣缸中通過，避免運(yùn)動(dòng)中與其它件干涉較小的大頭可減小旋轉(zhuǎn)慣性力，減小軸承負(fù)荷與磨損，減小平衡重連桿螺栓中心線應(yīng)盡量靠近軸瓦，可以減小大頭承受彎矩~桿身到大頭的過渡應(yīng)盡可能圓滑~

螺栓支承面到大頭的過渡處應(yīng)用較大的過渡半徑或沉槽~高強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)可采用斜切口連桿~大頭蓋采用鋸齒或套筒定位~保證大頭蓋有足夠剛度，防軸瓦變形，可以采用加強(qiáng)筋第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)五、v形內(nèi)燃機(jī)的連桿（并列連桿）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)基本上與直列式內(nèi)燃機(jī)上的一樣多數(shù)v形內(nèi)燃機(jī)的并列連桿采用斜切口，拆裝螺釘帶方便為了左、右排螺釘都容易拆裝，斜切口的方向必須相反為了減小錯(cuò)缸距，將連桿桿身與大頭作成偏置大頭軸瓦倒角在靠近曲柄臂一側(cè)較大，另一側(cè)很小，避免過多破壞曲柄銷的油膜承載能力第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)

連桿材料與強(qiáng)化工藝

一、材料連桿：具有較高的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性汽車、拖拉機(jī)及其它小型內(nèi)燃機(jī)常用45、40Cr、40MnB等中碳鋼鍛造。某些小功率內(nèi)燃機(jī)用球墨鑄鐵制造強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)用42CrMo、18Cr2A等合金鋼大頭蓋螺栓：具有高的彈性極限和耐沖擊性用合金鋼40Cr、35CrNiMo、18Cr2Ni4wA等。第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)

連桿材料與強(qiáng)化工藝

二、強(qiáng)化處理對(duì)于鍛鋼連桿應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚硪?guī)范；采用表面噴丸處理后，疲勞強(qiáng)度提高約45%；合金鋼采用拋光減小粗糙度，達(dá)到提高疲勞強(qiáng)度的目的第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

連桿螺栓

一、連桿螺栓受力分析靜載部分：保證大頭緊固可靠，并使連桿軸瓦緊貼大頭孔內(nèi)。動(dòng)載部分：內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，螺栓還要承受往復(fù)慣性力以及除去大頭蓋后的大頭旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力。附加彎曲力：大頭的剛性不足；加工過程中造成的零件形狀偏差，螺栓頭部結(jié)構(gòu)不合理等。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

連桿螺栓

二、螺栓預(yù)緊過程

(1)軸瓦接觸，大頭與大頭蓋未接觸，所有零件未受力。(2)軸瓦壓縮，螺栓被拉伸長λ1，螺栓與軸瓦受力相等(P1)，大頭結(jié)合面貼緊，末受力。(3)連桿大頭壓縮縮短λ2

/，螺栓繼續(xù)拉伸λ2，連桿大頭與螺栓所受之力達(dá)到靜力最大值，均為P1十P2。(4)內(nèi)燃機(jī)工作后，由于慣性力的作用，螺栓繼續(xù)伸長λ3，大頭部分相應(yīng)放松，卸載后，大頭仍有殘余壓緊力P0。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

連桿螺栓

三、螺栓預(yù)緊力的確定X：螺紋連接基本負(fù)荷系數(shù)X=螺栓剛度/(螺栓剛度+連桿大頭剛度)；Ｘ=0.2~0.25P0：殘余壓緊力>0oa的斜率－螺栓剛度ba的斜率－連桿大頭剛度cb的斜率－軸瓦剛度Pj//：工作時(shí)的動(dòng)載荷P2=2~2.5Pj//maxP/S=σs/nσs：材料屈服極限n：安全系數(shù)，n=1.5~2第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

連桿螺栓

四、螺栓預(yù)緊力的保證通過直接測(cè)量螺紋伸長量來控制預(yù)緊力通過材料屈服極限來控制預(yù)緊力第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

連桿螺栓

五、提高連桿螺栓疲勞強(qiáng)度的措施增加螺栓的個(gè)數(shù)，減小每個(gè)螺栓的受力。通過增大連桿大頭剛度，減小螺栓剛度，來減小基本負(fù)荷系數(shù)x，可以減小應(yīng)力幅值。螺栓過渡圓角半徑、根部圓角半徑等處采用大圓角，避免應(yīng)力集中。螺栓頭支承面盡量采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，減小附加彎曲應(yīng)力。采用冷墩成型工藝，用滾壓法制造螺紋。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日第五節(jié)

連桿強(qiáng)度計(jì)算

一、連桿小頭的強(qiáng)度計(jì)算襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫升產(chǎn)生的應(yīng)力。最大慣性力引起的應(yīng)力。最大壓縮力引起的應(yīng)力。連桿小頭的疲勞安全系數(shù)。連桿小頭的變形計(jì)算。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日第五節(jié)

連桿強(qiáng)度計(jì)算

二、連桿桿身的強(qiáng)度計(jì)算連桿桿身最大拉伸應(yīng)力計(jì)算連桿桿身的壓縮應(yīng)力計(jì)算連桿桿身的縱向彎曲應(yīng)力計(jì)算連桿桿身的安全系數(shù)計(jì)算第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第五節(jié)

連桿強(qiáng)度計(jì)算

三、連桿大頭的強(qiáng)度計(jì)算作用于大頭蓋中間斷面的彎矩。作用于大頭蓋中間斷面的法向力。在中間斷面的應(yīng)力。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、計(jì)算目的及內(nèi)容對(duì)淮海發(fā)動(dòng)機(jī)廠所設(shè)計(jì)的HH471QE汽油機(jī)連桿進(jìn)行有限元分析評(píng)估，并初步估算該連桿的疲勞壽命。

對(duì)連桿進(jìn)行有限元靜力分析，考慮預(yù)緊工況和拉伸、爆壓工況。計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)為轉(zhuǎn)速是5300rpm。

第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、連桿有限元計(jì)算(1)實(shí)體模型:采用三維實(shí)體建模，連桿螺栓和曲軸則根據(jù)剛度等效原則簡化。(2)結(jié)構(gòu)離散:采用四節(jié)點(diǎn)四面體剖分網(wǎng)格(3)邊界條件:如下：

第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日載荷邊界預(yù)緊工況；拉伸工況；壓縮工況

第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用二、連桿有限元計(jì)算第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、連桿計(jì)算結(jié)果拉伸最大主應(yīng)力跡線圖：拉伸時(shí)，大頭區(qū)連桿螺栓沉孔根部的最大主應(yīng)力比較大，螺母處的應(yīng)力達(dá)到225.2MPa；小頭過渡弧處的最大主應(yīng)力為150.3MPa；小頭內(nèi)側(cè)的最大主應(yīng)力達(dá)173.8MPa。第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、連桿計(jì)算結(jié)果拉伸等效應(yīng)力圖:大頭區(qū)連桿螺栓沉孔根部的等效應(yīng)力比較大，螺栓帽處的應(yīng)力達(dá)到333.9MPa；小頭處的最大等效應(yīng)力為160MPa，位置在小頭孔內(nèi)表面。

第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、連桿計(jì)算結(jié)果壓縮最小主應(yīng)力；爆壓工況下，在螺栓沉頭孔根部部位的最小主應(yīng)力比較大，螺栓帽處的應(yīng)力為-273MPa。應(yīng)力值有點(diǎn)偏大。在連桿小頭承壓部位，應(yīng)力達(dá)到-245.9MPa。桿身區(qū)的最大應(yīng)力為-272.5MPa。第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日壓縮等效應(yīng)力；爆壓工況，螺栓沉頭孔根部部位的等效應(yīng)力比較大，螺栓帽處的應(yīng)力為276.7MPa。應(yīng)力值有點(diǎn)偏大。在連桿小頭承壓部位，應(yīng)力達(dá)到224.5MPa。桿身區(qū)的最大等效應(yīng)力為274.8MPa。三、連桿計(jì)算結(jié)果第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日拉伸變形；拉伸工況下，連桿小頭孔橫向變形收縮0.0286mm;連桿小頭孔橫向收縮小于57.26%的平均軸套間隙。縱向變形拉長0.0304mm根據(jù)《內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)》（P220），襯套內(nèi)孔與活塞銷之間的間隙約為0.0004~0.0015d（d為活塞銷直徑，活塞銷直徑為18mm）；活塞銷的最大變形量小于（0.02~0.05mm），則0.028630.05=57.26%。三、連桿計(jì)算結(jié)果第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日壓縮變形：壓縮時(shí)小頭孔橫向變形增寬0.00127mm，縱向變形加長0.01226mm；大頭孔縱向收縮小于0.00487mm，其相對(duì)間隙小于允許的連桿軸瓦的相對(duì)間隙值（0.7~1.0‰）三、連桿計(jì)算結(jié)果第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日四、連桿壽命估算連桿受力譜連桿材料S-N曲線連桿壽命初步估算為9.0e5次結(jié)論：連桿大頭螺栓沉孔部位安全系數(shù)偏低（1.6）安全系數(shù)為2。連桿需要改進(jìn)。第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日五、連桿螺栓有限元分析計(jì)算三維建模四節(jié)點(diǎn)四面體單元邊界條件第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日六、連桿螺栓有限元計(jì)算結(jié)果拉伸最大主應(yīng)力拉伸等效應(yīng)力拉伸變形最大等效應(yīng)力608MPa小于強(qiáng)度極限第六節(jié)有限元法在連桿計(jì)算中的應(yīng)用第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、連桿小頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、連桿小頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)連桿的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、連桿小頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)