连杆设计的详细计算

第四章典型零部件(连杆)的设计连杆是发动机最重要的零件之一，近代中小型高速柴油机，为使发动机构造紧凑，最适宜的连杆长度应当是，在确保连杆及有关机件运动时不与其它机件相碰的状况下，选用小的连杆长度，而大缸径的中低速柴油机，为减少侧压力，可适宜加长连杆。连杆的构造并不复杂，且连杆大头、小头尺寸重要取决于曲轴及活塞组的设计。在连杆的设计中，重要考虑的是连杆中心距以及大、小头的构造形式。。连杆的运动状况和受力状态都比较复杂。在内燃机运转过程中，连杆小头中心与活塞一起作往复运动，承受活塞组产生的往复惯性力；大头中心与曲轴的连杆轴颈一起作往复运动，承受活塞连杆组往复惯性力和不涉及连杆大头盖在内的连杆组旋转质量惯性力；杆身作复合平面运动，承受气体压力和往复惯性力所产生的拉伸.压缩交变应力，以及压缩载荷和本身摆动惯性力矩所产生的附加弯曲应力。为了顺应内燃机高速化趋势，在发展连杆新材料、新工艺和新构造方面都必须现有助于提高刚度和疲劳强度，有能减轻质量，缩小尺寸。对连杆的规定：1、构造简朴，尺寸紧凑，可靠耐用；2、在确保含有足够强度和刚度的前提下，尽量的减轻重量，以减少惯性力；3、尽量缩短长度，以减少发动机的总体尺寸和总重量；4、大小头轴承工作可靠，耐磨性好；5、连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠。但由于本设计是改型设计，故良好的继承性也是一种考虑的方面。4.1连杆材料结合发动机工作特性,发动机连杆材料应当满足发动机正常工作所需要的规定。应含有较高的疲劳强度和冲击韧性，普通选用中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr等，本设计中发动机为中小功率发动机，故选用普通的45钢材料基本能够满足使用规定。4.2连杆重要尺寸1、连杆长度曲柄连杆比普通均不不大于0.3，这样能够使柴油机的机体高度减少，净质量减少，并且连杆长度减小后，其材料也对应减少，从而成本减少。但是，过小的曲柄连杆比会引发活塞侧压力增加，从而造成柴油机摩擦损失的增加，加速活塞、活塞环、气缸套的磨损，影响可靠性。《高速柴油机概念设计及实践》中指出：当曲柄连杆比左右时，对柴油机寿命及可靠性影响不大。参考原机及总体布置，选择曲柄连杆比为：。2、连杆的构造尺寸小头重要尺寸为连杆衬套内径d和小头宽度。《柴油机设计手册》中介绍的各个尺寸范畴为：由查《柴油机设计手册》毫米毫米小头内径毫米小头外径毫米大头内径毫米小头厚度取毫米大头厚度取毫米取毫米螺栓直径毫米图4-2衬套承压面段面图图4-1连杆杆身断面示意图取毫米毫米图4-2衬套承压面段面图图4-1连杆杆身断面示意图校核小头轴承的比压：《柴油机设计手册》中给出，q许用值为630bar,可见是在安全范畴之内的。注：式中；3、连杆杆身连杆杆身采用典型的工字形截面。尺寸如图4-1所示。4、连杆大头定位方式连杆大头定位方式为舌槽定位。这种定位方式定位可靠，贴面紧密，抗剪切能力强尺寸紧凑。但要注意舌槽部位要减小应力集中，以防疲劳损坏。5、连杆大头、小头的构造形式连杆大头的剖面形式：从上面选用的参数，因此采用斜切口。连杆盖的定位方式：斜切口连杆盖普通采用止口定位、锯齿定位。在本设计中采用止口定位连杆小头的构造形式：由于活塞销的大小普通由活塞设计所决定，因此在连杆的设计中，应尽量加大连杆小头衬套的承压面积以减少比压，构造设计如图4-2所示。4.3连杆螺栓连杆螺栓将连杆盖和连杆大头连在一起，它在工作中承受很大的冲击力，如果折断或松脱，将造成严重事故。因此，连杆螺栓为M14采用原则细牙螺纹,都采用优质合金钢40Cr制造，并精加工和热解决特制而成。安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力板手分2～3次交替均匀地拧紧到规定的扭矩，拧紧后为了避免连杆螺栓松动,还应可靠的锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来替代。连杆螺栓必须用中碳合金钢制造，经调质以确保高强度。4.4连杆轴瓦为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片。连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上对应的油孔对齐。现在多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层含有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，含有较好的承受载荷和导热的能力，并能够提高工作可靠性和延长使用寿命。轴瓦厚度和宽度根据《柴油机设计手册》上提供的范畴分别别取2.5mm和38mm。4.5连杆小头的强度计算4.5.1连杆小头承受的作用力连杆小头在进气和排气冲程中承受活塞组往复惯性力的拉伸，在上止点附近之值为最大。-2.05×0.065×162.1×(1+)-4585.3N式中：为活塞组件的质量，其数值为2.05公斤。为曲柄半径，其值为65毫米。为曲柄半径与连杆长之比值连杆小头在膨胀行程开始点所承受的压缩力N式中：为最高燃气作用力由于温度过盈和压配衬套而产生的力温度过盈量小头衬套有青铜，也可用粉末冶金代之。现以青铜衬套进行计算。毫米式中：为青铜衬套材料的热膨胀系数=1.8×10为钢的小头材料热膨胀系数为连杆小头的温升推荐取为小头衬套的外径d=41毫米（2）衬套与小头配合面上由总过盈量所决定的单位压力P式中：D小头外径D=60毫米D小头内径d=41毫米衬套内径=38.5毫米泊桑系数连杆材料的抗拉弹性模数=2.24×10MP青铜衬套的抗拉弹性模数=1.17×10MP衬套装配过盈为毫米，可取毫米。4.5.2由于装配过盈与温度过盈所产生的应力1、外表面的应力MP2、内表面的应力MP许用值和在MP故属安全。4.1、当活塞在上止点时MP式中：小头平均半径毫米小头宽度A=40毫米MP故安全2、按小曲率曲杆公式计算弯矩和法向力计算可作下述假定：①曲杆固定于小头和杆身的衔接处。即在连杆小头外圆和过分圆半径R相切的位置；②连杆小头下部支承在刚性很大的杆身上，因而不变形；③小头沿连杆的纵向对称线切开，用弯矩和反向力N替代的小头右半部的作用。小头Ⅲ—Ⅲ剖面弯矩M和法向力N（图4-3）。图4-3连杆小头剖面图图4-3连杆小头剖面图式中：、为当断面上的轴力和弯矩。和值有下列经验公式求得：N式中：毫米毫米毫米（3）外侧纤维应力式中：h为小头计算壁厚毫米系数（4）内侧纤维应力4.计算假定载荷在连杆小头下部成正弦分布1、Ⅲ-Ⅲ剖面上的弯矩和法向力式中和由曲线查得N弯矩法向力2、外侧纤维应力3、内侧纤维应力4.5.5连杆小头的安全系数连杆小头应力按不对称循环变化，在小头和杆身衔接处（即固定角R处）的外侧纤维上安全系数最小。式中：为材料拉伸及压缩疲劳极限（材料45钢）取角系数取小头的安全系数普通取故安全4.毫米图4-4连杆杆身图式中：图4-4连杆杆身图4.6连杆杆身的强度设计1、连杆杆身最小截面（Ⅰ-Ⅰ）（1）连杆杆身在不对称交变循环载荷下工作，它受到位于计算截面（Ⅰ-Ⅰ）以上往复惯性质量力的拉伸及气体压力的压缩。则最大工况时的往复惯性力为：式中：为截面（Ⅰ-Ⅰ）以上连杆小头质量（2）杆身（Ⅰ-Ⅰ）计算断面的应力①由于惯性力拉伸（Ⅰ-Ⅰ）计算断面处引发的应力②由于压缩力在（Ⅰ-Ⅰ）断面处所引发的应力③杆身（Ⅰ-Ⅰ）断面处的安全系数：式中：取系数为材料拉伸及压缩疲劳极限（材料45钢）190～250MPa取240MPa由《内燃机设计手册》推荐,因此设计安全。2、杆身中间断面的强度计算（1）杆身中间断面的受力②压缩力①②压缩力①往复惯性力杆身Ⅱ-Ⅱ断面应力的计算由惯性力引发的拉应力282836②由压缩力引发的应力36图4-5杆身横截面图(a)在摆动平面内弯曲时由压缩和纵向弯曲图4-5杆身横截面图所引发的合成应力按纳维-兰金公式计算(如图4-5所示)式中：L为连杆长度，为系数。取=0.00035。(b)垂直于摆动平面方向的应力（图4-6）图4-6杆身纵截面图图4-6杆身纵截面图式中：为对Y轴的惯性矩为连杆长度减去连杆大小头孔半径之和。（3）中间断面处的安全系数而故属安全4.7连杆大头盖的强度计算4.7.连杆大头盖在进气冲程开始即当活塞在上止点时承受往复运动质量和连杆大头的旋转质量的惯性力。式中：为活塞组的质量，=2.05公斤。==0.6466Kg为连杆作旋转运动的质量为曲拐几集中在曲柄销中心的当量质量；且=，是曲拐各单元的质量；是各单元的旋转半径。做平面运动的连杆组，根据动力学等效性的质量，质心和转动惯量守恒三原则进行质量换算。实际计算成果表明，与，相比很小，为简化受力分析，惯用集中在连杆小头和大头的2个质量，近似替代连杆，从动力学等效的头两个条件（即无视转动惯量守恒）可得=，=式中，是连杆组质量；是连杆组质心到小头孔中心的距离。为连杆大头盖的质量,=0.6155Kg。4.7.1、强度计算的假定（1）以一定过盈安装在大头中的轴瓦和大头一起变形，这样弯矩在轴瓦和大头盖之间的分派就与两者的断面的惯性矩成正比。（2）大头上部和大头盖沿剖分面紧密贴合,以至可将它们当作是一种整体。以大头盖中间断面（即为斜切口与轴线成角的断面）作为计算断面。而以二螺栓轴线间距的二分之一C/2作为弯曲梁的曲率半径。（3）惯性力对大头盖的压力按余弦规律分布。这时计算应力与实测应力最符合。2、由惯性力在大头盖中引发的压力（如图4-7所示）图4-7大头盖尺寸构造图图4-7大头盖尺寸构造图式中：I和大头盖和轴瓦横断面的惯性矩F和大头盖和轴瓦的横断面积W大头盖计算断面的抗弯断面模数C螺栓中心线间的距离。C=84毫米按大头盖截面的简化图形求得形心轴，按公式由，得W=为轴瓦断面惯性矩=轴瓦宽度L=44-6=38毫米轴瓦厚度厘米许用值[]推荐[]为60～200故属安全。3、连杆大头横向的直径变形变形值不应超出连杆轴径之间的间隙根据A奥尔林推荐。4.8连杆螺栓的强度计算4.8.1连杆螺栓的受由于连杆打头是斜切口,连杆螺栓在工作中除承受予紧力外,在上止点时还承受往复运动质量惯性力和连杆旋转质量离心力沿螺栓轴线分量之拉伸。1、每只螺栓所受的惯性力式中： ——切口与轴线夹角i=2-——-螺栓数连杆大头所受惯性力2、螺栓应加的予紧力据奥尔林所着“内燃机”第二卷推荐=2～4现取=4=11702.1N3、每只螺栓所受的拉力=+X=12433.5N式中:X=0.25—基本负荷系数4.8.21、螺栓杆身的最大拉应力=80.77式中：d=14毫米——螺栓直径2、螺栓杆身的最小拉应力4.8.31、最大拉应力式中：=12毫米—螺纹内径2、最小拉应力=4.8.41、动载安全系数=式中：——拉伸强度极限；对40取——静载疲劳极限；=0.5=490——对称循环拉伸强度极限=0.7