连杆设计计算过程.docx

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1、连杆设计计算过程.doc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，为使发动机结构紧凑，最合适的连杆长度应该是，在保证连杆及相关机件运动时不与其他机件相碰的情况下，选取小的连杆长度，而大缸径的中低速柴油机，为减少侧压力，可适当加长连杆。连杆的结构并不复杂，且连杆大头、小头尺寸主要取决于曲轴及活塞组的设计。在连杆的设计中，主要考虑的是连杆中心距以及大、小头的结构形式。连杆的运动情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包括连杆

2、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、新工艺和新结构方面都必须既有利于提高刚度和疲劳强度，有能减轻质量，缩小尺寸。对连杆的要求：1、结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用；2、在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能的减轻重量，以降低惯性力；3、尽量缩短长度，以降低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个考虑的方面。结合发动机工作特性,发动机连

3、杆材料应当满足发动机正常工作所需要的要求。应具有较高的疲劳强度和冲击韧性，一般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，故选用一般的45钢材料基本可以满足使用要求。4.2连杆主要尺寸1、连杆长度1曲柄连杆比一般均大于03,这样可以使柴油机的机体高度降低，净质量减少，而且，连杆长度减小后，其材料也相应减少，从而成本降低。但是，过小的曲柄连杆比会引起活塞侧压力增加，从而导致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,，0.31命及可靠性影响不大。参照原机及总体布置，选择曲柄连杆比

4、为：O1,260mm,r1,65/260,0.292、连杆的结构尺寸小头主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b1范围为：由查柴油机设计手册，r1,65/260,0.29d毫米,0.36d,40D,毫米小头内径毫米,0.0625d,d,2,45,2.51dDd21小头外径毫米大头内径毫米d,61D,81,0.736,1.3621dD1b1小头厚度取毫米,1.1b,401db2大头厚度取毫米b,53,0.652D1dM取毫米螺栓直径毫米1,121.3D1,98d,14,0.121HMDHBt,0.327,0.78,0.17DHH取毫米毫米毫米H,36B,28t,6图4

5、-1连杆杆身断面示意图图4-2衬套承压面段面图校核小头轴承的比压：526p80.052,10,110,10,5xq,493.74,10bar,33db40,10,40,10柴油机设计手册中给出，q许用值为63Obar,可见是在安全范围之内的。,2P,PpD注:式中;,最高燃气作用力,zzz4d,衬套内径;b,衬套支承长度；3、连杆杆身T所示。连杆杆身采用典型的工字形截面。尺寸如图44、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、小头的结构形式d连杆大头的剖面形式:从上面选取的参数，

6、所以采用斜切口。,0.69,0.650.70D连杆盖的定位方式:斜切口连杆盖一般采用止口定位、锯齿定位。在本设计中采用止口定位连杆小头的结构形式：由于活塞销的大小一般由活塞设计所决定，所以在连杆的设计中，应尽可能加大连杆小头衬套的承压面积以降低比压，结构设计如图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采用标准细牙螺纹,都采用优质合金钢40Cr制造，并精加工和热处理特制而成。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，拧紧后为了防止连杆螺栓松动,还应可靠的锁

7、紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其它螺栓来代替。连杆螺栓必须用中碳合金钢制造，经调质以保证高强度。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，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软，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，具有很好的

8、承受载荷和导热的能力，并可以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围分别别取2.5Inn1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1 .连杆小头在进气和排气冲程中承受活塞组往复惯性力P的拉伸，在上止点附近之值为jn最大。6522P,-2.050.065162.1(1+),-4585.3N,mr,(1,)jn,210式中:为活塞组件的质量，其数值为2.05千克。叫为曲柄半径，其值为65毫米。rr为曲柄半径与连杆长之比值，0.3112.连杆小头在膨胀行程开始点所承受的压缩力,52,6NP,P,P,(80.052,1),10,110,10

9、,4585.3,70540.3ckFjn4式中:为最高燃气作用力PF3.由于温度过盈和压配衬套而产生的力(1)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。,5,5毫米,T,dt,1.8,10,1,10,41,150,0.0492B,5式中：为青铜衬套材料的热膨胀系数=18X10,BB,5为钢的小头材料热膨胀系数，110：为连杆小头的温升推荐tt,100200C:取t,150C为小头衬套的外径441毫米d(2)衬套与小头配合面上由总过盈量所决定的单位压力P,0.068,0.0492Tp,60,4141,38.5D,dd,d22222222,0.3,0.3,2160,414

10、1,38.5D,dd,d,22222241,22,d,212.24,101.17,10,55EEB,19.5MPa式中：D小头外径D=60亳米22D小头内径d=41毫米衬套内径=38.5毫米dd11泊桑系数,0.35连杆材料的抗拉弹性模数=2.24IOMPEEa5青铜衬套的抗拉弹性模数=1.1710MPEEaBB衬套装配过盈为毫米，可取毫米。,0.0160.068,0.0684.5.2由于装配过盈与温度过盈所产生的应力1、外表面的应力222d2,41MP,p,19.5,34.15aa222260,41D,d22、内表面的应力2222D,d60,412MP,p,19.5,53.65ai22226

11、0,41D,d2许用值和在MP故属安全。,100150aia4.5.3由活塞的惯性力在连杆小头中引起的拉应力1、当活塞在上止点时PP4585.3jnjnMP,2.27pa2F2rA2,25.25,40cpD,d60,412式中:小头平均半径毫米r,25.25cp44小头宽度AEO亳米,2958MP故安全pa2、按小曲率曲杆公式计算弯矩和法向力计算可作下述假定：?曲杆固定于小头和杆身的衔接处。即在连杆小头外圆和过度圆半径R相切的位置；?连杆小头下部支承在刚性很大的杆身上，因而不变形；？小头沿连杆的纵向对称线切开，用弯矩和反向力N代替的小头右半部的作用。MO小头?一?剖面弯矩M和法向力N（图4-3

12、）。图4-3连杆小头剖面图,M,M,Nr(1,cos),0.5Pr(sin,cos)cpjncpOO:,3,1,108,2186.3,25.25,(I,cos119),10:,3,0.5,4585.3,25.25,(sin119,cos119),10,4.359N,m:式中：、为当断面上的轴力和弯矩。NM,000和值有下列经验公式求得：NMOO,NN,P(O.572,0.0008,),4585.3,(O.572,O.0008,119),2186.30jnM,Pr(O.00033,O.0297),Ojncp:,3,4585.3,25.25,(O.00033,119,O.0297),10,1.10

13、8N,mHR,17,75:,1:,1:2式中：，90,cos,90,cos,119D30,752R,2r,25.25毫米毫米毫米D,60d,41cp2,N,Ncos,0.5P(sin,cos)0jn:,2186.3,cos119,0.5,4585.3,(sin119,cos119),2057.6N(3)外侧纤维应力6r,h1cp,2M,KN,ajh(2r,h)Ahcp6,25.25,9.5136,2,4.359,10,0.936,2057.6,10,11.55MPa9.5(2,25.25,9.5)40,9.5D,d60,412式中：h为小头计算壁厚毫米h,9.5225,EF2.24,10,(6

14、0,41),402系数，0.936K55,EFEF2.24,10,(60,40),40,1.17,10,2.5,402BB(4)内侧纤维应力6r,h1cp,2M,KN,ijh(2r,h)Ahcp6,25.25,9.5136,2,4.359,10,0.936,2057.6,109.5(2,25.25,9.5)40,9.5,3.296MPa4.5.4由压缩力引起的应力计算假定载荷在连杆小头下部成正弦分布1、？-?剖面上的弯矩和法向力,sinsincos,MMNr(Icos)PrO,OOcpckcp,2MO式中和由曲线查得MN,0.001200Prckcp,3M,0.0012,70540.3,25.

15、25,10,2.14N,mNONN,O.0035,70540.3,246.9,O.00350Pck,sinsincos,弯矩M,M,Nr(1,cos),Pr(,)OOcpckcp,2:sin1192.07sin119cos119:,3,3,2.14,246.925.25(1,cos119),10,70540.3,25.25,10(,),2,2.14,9.26,26.71,19.59N,m法向力,sinsincos,N,P(,),NcoscKO,2:cos119sin1192.07sin119:,70540.3,(,),1058.IN,22、外侧纤维应力6r,h1cp,2M,KN,ach(2r,h)Ahcp6,25.25,9.5136,2,19.59,10,0.936,105