連桿小端襯套活塞銷(xiāo)強(qiáng)度分析及其影響因素

李元穎　張永亮

摘 要：通過(guò)有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體配合的模型，針對(duì)連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)在氣體爆發(fā)壓力作用下的強(qiáng)度及相關(guān)因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得出在最大爆發(fā)壓力下襯套的最大等效應(yīng)力處；在相同爆發(fā)壓力下，襯套寬度，比壓與襯套最大等效應(yīng)力的關(guān)系；活塞銷(xiāo)與襯套的配合間隙與最大等效應(yīng)力的關(guān)系；在相同結(jié)構(gòu)下，比壓與最大等效應(yīng)力的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體配合；相關(guān)因素影響規(guī)律；ANSYS

1 概述

在內(nèi)燃機(jī)中活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)和襯套與連桿連接，以推動(dòng)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞銷(xiāo)與襯套在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中承受氣體爆發(fā)壓力以及活塞連桿組慣性力的作用，而且這些力都是周期變化的沖擊性負(fù)荷，此時(shí)軸承的工作性能和可靠性嚴(yán)重影響著內(nèi)燃機(jī)整機(jī)的工作性能。特別是近年來(lái)，內(nèi)燃機(jī)日益向高速和大功率方向發(fā)展，相應(yīng)地，對(duì)于軸承各個(gè)方面的性能要求也越來(lái)越高。因此，深入分析、計(jì)算連桿襯套的強(qiáng)度問(wèn)題，特別是分析計(jì)算影響活塞銷(xiāo)-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問(wèn)題，以及相關(guān)因素對(duì)襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)整機(jī)工作的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命都具有十分重大的意義。

對(duì)于連桿襯套受氣體爆發(fā)壓力和慣性力作用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算，雖然其形狀并不復(fù)雜，但由于連桿襯套與連桿小端過(guò)盈裝配，連桿襯套又與活塞銷(xiāo)存在接觸，活塞銷(xiāo)受慣性力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力共同作用。襯套的實(shí)際應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算比較困難，傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)牟粶?zhǔn)確性。有限元方法的發(fā)展為精確且全面地計(jì)算連桿襯套應(yīng)力提供了條件，目前已成為計(jì)算連桿襯套應(yīng)力的主要手段。

文章通過(guò)ANSYS軟件為針對(duì)連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸模型在氣體爆發(fā)壓力作用下的襯套強(qiáng)度及相關(guān)因素的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，旨在為高速大功率柴油機(jī)的連桿襯套設(shè)計(jì)提供參考[1]。

活塞銷(xiāo)載荷是襯套強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，進(jìn)行連桿-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸分析計(jì)算時(shí)，首先要確定活塞銷(xiāo)負(fù)荷。連桿小端與襯套過(guò)盈配合，通過(guò)活塞銷(xiāo)與活塞連接作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在柴油機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程中，處于進(jìn)氣沖程階段時(shí)，連桿通過(guò)活塞銷(xiāo)帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的巨大壓力推動(dòng)活塞下行，活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)推動(dòng)連桿向下運(yùn)動(dòng)，連桿再推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，襯套的下部承受強(qiáng)大的擠壓力。

4 比壓與襯套最大等效應(yīng)力

以某柴油機(jī)為研究對(duì)象，1500rpm工況下受最大爆發(fā)壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計(jì)算了柴油機(jī)不同參數(shù)下的比壓與最大等效應(yīng)力，以分析襯套寬度B對(duì)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響，以及襯套與活塞銷(xiāo)配合間隙對(duì)襯套最大等效應(yīng)力的影響。

表3所示為16MPa爆發(fā)壓力下不同寬度時(shí)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的計(jì)算值。圖4為寬度B對(duì)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在相同爆發(fā)壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應(yīng)力降低，二者呈線性關(guān)系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

分析、計(jì)算連桿襯套的強(qiáng)度問(wèn)題，特別是分析計(jì)算影響活塞銷(xiāo)-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問(wèn)題，以及襯套材料、規(guī)格對(duì)襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于連桿襯套的設(shè)計(jì)具有十分重大的意義。通過(guò)連桿襯套的強(qiáng)度有限元分析，得出如下結(jié)論：

（1）連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸強(qiáng)度有限元分析結(jié)果表明，連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸在施加慣性力及氣體爆發(fā)壓力后，襯套的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近連桿一側(cè)的內(nèi)壁邊緣。

（2）在相同爆發(fā)壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應(yīng)力降低，二者呈線性關(guān)系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強(qiáng)度。

（3）隨著活塞銷(xiāo)與襯套的配合間隙的增大，由于受力面積的減小引起襯套的最大等效應(yīng)力的增加，但增加幅度較小。

（4）在相同結(jié)構(gòu)下隨著比壓的增加，襯套最大等效應(yīng)力呈線性增大。

參考文獻(xiàn)

[1]孫東印，司建明，李郁. 綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J] 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2011（02）：1-3.

[2]張保成，蘇鐵熊.內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，馮垣潔.基于有限元的連桿襯套過(guò)盈配合分析求解[J].軸承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志強(qiáng). W6170Z柴油機(jī)連桿小頭有限元強(qiáng)度考核[J].山東內(nèi)燃機(jī)，1996（03）：7-9.

作者簡(jiǎn)介：李元穎（1988-），女，山西朔州人，中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

摘 要：通過(guò)有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體配合的模型，針對(duì)連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)在氣體爆發(fā)壓力作用下的強(qiáng)度及相關(guān)因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得出在最大爆發(fā)壓力下襯套的最大等效應(yīng)力處；在相同爆發(fā)壓力下，襯套寬度，比壓與襯套最大等效應(yīng)力的關(guān)系；活塞銷(xiāo)與襯套的配合間隙與最大等效應(yīng)力的關(guān)系；在相同結(jié)構(gòu)下，比壓與最大等效應(yīng)力的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體配合；相關(guān)因素影響規(guī)律；ANSYS

1 概述

在內(nèi)燃機(jī)中活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)和襯套與連桿連接，以推動(dòng)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞銷(xiāo)與襯套在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中承受氣體爆發(fā)壓力以及活塞連桿組慣性力的作用，而且這些力都是周期變化的沖擊性負(fù)荷，此時(shí)軸承的工作性能和可靠性嚴(yán)重影響著內(nèi)燃機(jī)整機(jī)的工作性能。特別是近年來(lái)，內(nèi)燃機(jī)日益向高速和大功率方向發(fā)展，相應(yīng)地，對(duì)于軸承各個(gè)方面的性能要求也越來(lái)越高。因此，深入分析、計(jì)算連桿襯套的強(qiáng)度問(wèn)題，特別是分析計(jì)算影響活塞銷(xiāo)-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問(wèn)題，以及相關(guān)因素對(duì)襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)整機(jī)工作的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命都具有十分重大的意義。

對(duì)于連桿襯套受氣體爆發(fā)壓力和慣性力作用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算，雖然其形狀并不復(fù)雜，但由于連桿襯套與連桿小端過(guò)盈裝配，連桿襯套又與活塞銷(xiāo)存在接觸，活塞銷(xiāo)受慣性力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力共同作用。襯套的實(shí)際應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算比較困難，傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)牟粶?zhǔn)確性。有限元方法的發(fā)展為精確且全面地計(jì)算連桿襯套應(yīng)力提供了條件，目前已成為計(jì)算連桿襯套應(yīng)力的主要手段。

文章通過(guò)ANSYS軟件為針對(duì)連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸模型在氣體爆發(fā)壓力作用下的襯套強(qiáng)度及相關(guān)因素的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，旨在為高速大功率柴油機(jī)的連桿襯套設(shè)計(jì)提供參考[1]。

活塞銷(xiāo)載荷是襯套強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，進(jìn)行連桿-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸分析計(jì)算時(shí)，首先要確定活塞銷(xiāo)負(fù)荷。連桿小端與襯套過(guò)盈配合，通過(guò)活塞銷(xiāo)與活塞連接作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在柴油機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程中，處于進(jìn)氣沖程階段時(shí)，連桿通過(guò)活塞銷(xiāo)帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的巨大壓力推動(dòng)活塞下行，活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)推動(dòng)連桿向下運(yùn)動(dòng)，連桿再推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，襯套的下部承受強(qiáng)大的擠壓力。

4 比壓與襯套最大等效應(yīng)力

以某柴油機(jī)為研究對(duì)象，1500rpm工況下受最大爆發(fā)壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計(jì)算了柴油機(jī)不同參數(shù)下的比壓與最大等效應(yīng)力，以分析襯套寬度B對(duì)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響，以及襯套與活塞銷(xiāo)配合間隙對(duì)襯套最大等效應(yīng)力的影響。

表3所示為16MPa爆發(fā)壓力下不同寬度時(shí)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的計(jì)算值。圖4為寬度B對(duì)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在相同爆發(fā)壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應(yīng)力降低，二者呈線性關(guān)系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

分析、計(jì)算連桿襯套的強(qiáng)度問(wèn)題，特別是分析計(jì)算影響活塞銷(xiāo)-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問(wèn)題，以及襯套材料、規(guī)格對(duì)襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于連桿襯套的設(shè)計(jì)具有十分重大的意義。通過(guò)連桿襯套的強(qiáng)度有限元分析，得出如下結(jié)論：

（1）連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸強(qiáng)度有限元分析結(jié)果表明，連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸在施加慣性力及氣體爆發(fā)壓力后，襯套的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近連桿一側(cè)的內(nèi)壁邊緣。

（2）在相同爆發(fā)壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應(yīng)力降低，二者呈線性關(guān)系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強(qiáng)度。

（3）隨著活塞銷(xiāo)與襯套的配合間隙的增大，由于受力面積的減小引起襯套的最大等效應(yīng)力的增加，但增加幅度較小。

（4）在相同結(jié)構(gòu)下隨著比壓的增加，襯套最大等效應(yīng)力呈線性增大。

參考文獻(xiàn)

[1]孫東印，司建明，李郁. 綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J] 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2011（02）：1-3.

[2]張保成，蘇鐵熊.內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，馮垣潔.基于有限元的連桿襯套過(guò)盈配合分析求解[J].軸承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志強(qiáng). W6170Z柴油機(jī)連桿小頭有限元強(qiáng)度考核[J].山東內(nèi)燃機(jī)，1996（03）：7-9.

作者簡(jiǎn)介：李元穎（1988-），女，山西朔州人，中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

摘 要：通過(guò)有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體配合的模型，針對(duì)連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)在氣體爆發(fā)壓力作用下的強(qiáng)度及相關(guān)因素的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得出在最大爆發(fā)壓力下襯套的最大等效應(yīng)力處；在相同爆發(fā)壓力下，襯套寬度，比壓與襯套最大等效應(yīng)力的關(guān)系；活塞銷(xiāo)與襯套的配合間隙與最大等效應(yīng)力的關(guān)系；在相同結(jié)構(gòu)下，比壓與最大等效應(yīng)力的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體配合；相關(guān)因素影響規(guī)律；ANSYS

1 概述

在內(nèi)燃機(jī)中活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)和襯套與連桿連接，以推動(dòng)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞銷(xiāo)與襯套在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中承受氣體爆發(fā)壓力以及活塞連桿組慣性力的作用，而且這些力都是周期變化的沖擊性負(fù)荷，此時(shí)軸承的工作性能和可靠性嚴(yán)重影響著內(nèi)燃機(jī)整機(jī)的工作性能。特別是近年來(lái)，內(nèi)燃機(jī)日益向高速和大功率方向發(fā)展，相應(yīng)地，對(duì)于軸承各個(gè)方面的性能要求也越來(lái)越高。因此，深入分析、計(jì)算連桿襯套的強(qiáng)度問(wèn)題，特別是分析計(jì)算影響活塞銷(xiāo)-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問(wèn)題，以及相關(guān)因素對(duì)襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)整機(jī)工作的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命都具有十分重大的意義。

對(duì)于連桿襯套受氣體爆發(fā)壓力和慣性力作用時(shí)的應(yīng)力計(jì)算，雖然其形狀并不復(fù)雜，但由于連桿襯套與連桿小端過(guò)盈裝配，連桿襯套又與活塞銷(xiāo)存在接觸，活塞銷(xiāo)受慣性力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力共同作用。襯套的實(shí)際應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算比較困難，傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)牟粶?zhǔn)確性。有限元方法的發(fā)展為精確且全面地計(jì)算連桿襯套應(yīng)力提供了條件，目前已成為計(jì)算連桿襯套應(yīng)力的主要手段。

文章通過(guò)ANSYS軟件為針對(duì)連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸模型在氣體爆發(fā)壓力作用下的襯套強(qiáng)度及相關(guān)因素的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，旨在為高速大功率柴油機(jī)的連桿襯套設(shè)計(jì)提供參考[1]。

活塞銷(xiāo)載荷是襯套強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，進(jìn)行連桿-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸分析計(jì)算時(shí)，首先要確定活塞銷(xiāo)負(fù)荷。連桿小端與襯套過(guò)盈配合，通過(guò)活塞銷(xiāo)與活塞連接作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在柴油機(jī)的整個(gè)工作過(guò)程中，處于進(jìn)氣沖程階段時(shí)，連桿通過(guò)活塞銷(xiāo)帶動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的巨大壓力推動(dòng)活塞下行，活塞通過(guò)活塞銷(xiāo)推動(dòng)連桿向下運(yùn)動(dòng)，連桿再推動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，襯套的下部承受強(qiáng)大的擠壓力。

4 比壓與襯套最大等效應(yīng)力

以某柴油機(jī)為研究對(duì)象，1500rpm工況下受最大爆發(fā)壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計(jì)算了柴油機(jī)不同參數(shù)下的比壓與最大等效應(yīng)力，以分析襯套寬度B對(duì)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響，以及襯套與活塞銷(xiāo)配合間隙對(duì)襯套最大等效應(yīng)力的影響。

表3所示為16MPa爆發(fā)壓力下不同寬度時(shí)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的計(jì)算值。圖4為寬度B對(duì)比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在相同爆發(fā)壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應(yīng)力降低，二者呈線性關(guān)系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強(qiáng)度。

5 結(jié)論

分析、計(jì)算連桿襯套的強(qiáng)度問(wèn)題，特別是分析計(jì)算影響活塞銷(xiāo)-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問(wèn)題，以及襯套材料、規(guī)格對(duì)襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)于連桿襯套的設(shè)計(jì)具有十分重大的意義。通過(guò)連桿襯套的強(qiáng)度有限元分析，得出如下結(jié)論：

（1）連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸強(qiáng)度有限元分析結(jié)果表明，連桿小端-襯套-活塞銷(xiāo)三體接觸在施加慣性力及氣體爆發(fā)壓力后，襯套的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近連桿一側(cè)的內(nèi)壁邊緣。

（2）在相同爆發(fā)壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應(yīng)力降低，二者呈線性關(guān)系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強(qiáng)度。

（3）隨著活塞銷(xiāo)與襯套的配合間隙的增大，由于受力面積的減小引起襯套的最大等效應(yīng)力的增加，但增加幅度較小。

（4）在相同結(jié)構(gòu)下隨著比壓的增加，襯套最大等效應(yīng)力呈線性增大。

參考文獻(xiàn)

[1]孫東印，司建明，李郁. 綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J] 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2011（02）：1-3.

[2]張保成，蘇鐵熊.內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，馮垣潔.基于有限元的連桿襯套過(guò)盈配合分析求解[J].軸承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志強(qiáng). W6170Z柴油機(jī)連桿小頭有限元強(qiáng)度考核[J].山東內(nèi)燃機(jī)，1996（03）：7-9.

作者簡(jiǎn)介：李元穎（1988-），女，山西朔州人，中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)