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5.1最大拉伸情况的结果与分析 41
5.1.1连杆受拉时应力结果 41
5.1.2连杆受拉时应变结果 42
5.1.3连杆受拉时位移结果 44
5.2最大压缩情况的结果与分析 45
5.2.1连杆受压时应力结果 45
5.2.2连杆受压时应变结果 46
5.2.3连杆受压时位移结果 47
5.3分析总结 47
引用文献 50
附录(英文翻译) 52
第一章序言
1.1课题研究的目的和意义
连杆是发动机中传递动力的重要零件,它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动,并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。
连杆在工作过程中要承受装配载荷(包括轴瓦过盈及螺栓预紧力)和交变工作载荷(包括气体爆发压力及惯性力)的作用,工作条件比较苛刻。
现代汽车正向着环保节能方向发展,这就要求发动机连杆在满足强度和刚度的基础上,应具有尺寸小、重量轻的特点。
本文通过SolidWorks这个三维制图软件制作连杆的三维模型,然后通过COSMOSWorks软件,对连杆模型进行网格划分、加载和约束的处理,然后再进行计算分析,得出柴油机连杆在受拉和受压的两种工况下的应力、应变等分析结果。
为连杆的设计和制造提供了一定的数据资料,具有一定程度的工程实用价值。
近几年,随着我国汽车工业的高速发展以及对环境保护工作的日渐重视,参照国外先进机型设计开发并引进关键的生产制造技术是目前迅速提高我国内燃机制造及开发水平有效措施。
在人们普遍重视的汽车各种性能指标中,发动机的性能显得尤为重要。
现在,我国各大汽车集团的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大,不论从锻件的强度,表面强化技术,还是尺寸精度及产品的稳定性方面,都接近国外发达国家的水平,但在连杆轻量化方面,我国还相当落后。
因此,对连杆进行三维建模及有限元分析具有其积极的意义。
随着计算机技术的迅速发展,特别是有限元方法和分析软件的日益成熟,在连杆等发动机零部件的研制开发工作中,对其进行计算机数值模拟己成为辅助设计的重要手段。
1.2课题的分析
连杆是发动机的主要运动受力元件之一,它在工作中所受的各种外载荷复杂且作周
期性变化。
而且,即使是同一类型的连杆,每根连杆的物性参数、几何形状也存在差异。
因此,在分析连杆的应力和应变时,要考虑这些不确定的因素,才能得到更符合实际的
结果。
目前,随着计算机技术的迅猛发展,有限元法己日趋成熟实用,所应用的领域越来越广并发挥出越来越重要的作用。
此方法已成为工程技术领域不可缺少的一个强有力的计算分析工具,其在发动机零部件的设计分析中的应用亦有了很大的进展。
其中研究连杆的应力、应变时,目前最常用的方法是有限元方法。
要进行有限元分析,首先要建立三维实体模型。
本文采用Solidworks进行建模。
Solidworks是第一个在Windows操作系统下开发的三维CAD系统,包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化软件,全面满足设计,分析,制造,产品数据管理的一体化要求。
其基本设计流程为“实体造型(零件)—虚拟(装配体)—二维图纸(工程图)”。
COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件,是SARC公司工程分析软件产品之一。
SRAC公司成立于1982年,是将有限元分析带入到桌面计算的先驱。
1995年SARC公司与SolidWorks公司合做开发了COSMOSWorks软件,从而进入了工程界主流有限元分析软件的市场。
1.3研究内容
随着汽车工业制造技术的发展,对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高,而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要,因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。
首先,本课题通过查阅收集国内外连杆的相关资料,了解该领域的研究动态。
使我对连杆的结构、连杆的材料、连杆的制造工艺、以及连杆的发展趋势都有了一定程度的了解。
连杆在发动机中直接与活塞销、曲柄销连接,通过弹性接触传递力的关系,所以,连杆的受力情况与活塞销、曲柄销有极大的关系。
本论文对分析对象与别的构件间的接触问题,采用简化处理,因为连杆体和连杆盖用连杆螺栓紧紧固连在一起,所以在连杆静强度分析计算将杆身与杆盖合作为一个整体,这种分析模型虽然无法准确反映螺栓预紧力及各零件之间的相互作用与影响,但是对杆身部分的应力计算是方便有效的。
本文以德国工程机械柴油机连杆为研究对象,采用SolidWorks软件建立了包括连
杆体、连杆盖、连杆螺栓在内的三维有限元分析实体模型,采用COSMOSWorks软件建立连杆的静强度有限元分析模型,用高品质的实体网格对整个三维实体模型进行了网
格划分,连杆大头与连杆套的接触面的接触条件定义为无穿透的接触类型,整个连杆的
约束条件为将连杆大头采用固定约束,连杆小头采用轴向约束,从而限制的刚体的位移,然后通过COSMOSWorks软件在最大受拉和最大受压工况下分别进行有限元分析计算。
对连杆的在最大受拉和最大受压工况下的应力、应变、位移等进行了简略研究,并且对两种工况下的结果进行了对比分析。
第二章有限元的基本原理及其应用
本课题分析的核心思想是有限元法,所以有必要简单介绍一下有限元的基本原理及其当前在工程设计和零件加工中的应用。
2.1有限元分析概述
有限元法是把连续的弹性体划分为有限大小的、彼此只在有限个节点相连的、有限个单元的组合体来研究的。
也就是设想把原来的结构用一个离散结构来代替,作为真实结构的力学模型,以后的数值计算就在这个模型上进行。
这种把实际连续体划分为离散结构的过程,叫做有限元离散化,这些有限大小的单元,称为有限元,各单元间连接的点称为节点。
所谓有限元法,其基本思想可从力学和数学两个角度来阐述。
从力学角度来阐述,就是通过离散化的手段,把一复杂的连续体变成离散的单元;
从数学角度来阐述,就是通过离散手段,把偏微分方程或者变分方程变成代数方程求解。
离散就是把要分析的某连续体人为地分割成有限个单元,单元间通过节点连接起来。
复杂的连续体经此离散化,可视为若干单元的组合体。
对每个单元,选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、在子域分界面上(内部边界)以及子域与外界分界面(外部边界)上都满足一定的条件。
单元组合体在已知外载荷作用下处十平衡状态时,列出一系列以节点位移为未知量的线性方程组。
利用计算机解出节点位移后,再用弹性力学的有关公式,计算出各单元的应力、应变,当各单元小到一定程度,那么它就代表连续体各处的真实情况。
内燃机要完成其独特的功能,大部分零件结构复杂,工作条件恶劣,这些零件的结构分析和设计是一件非常困难的工作。
如连杆、活塞、缸盖、机体等零件,传统的设计方法所用的材料力学公式不能计算出这些复杂零件的应力。
有限元法以其独特的特点,可以对结构形状和受载荷方式都十分复杂的零件进行分析,因而被广泛地运用在内燃机工程中,成为有限元法工程应用的一个重要内容。
有限元法应用于内燃机工程的目的可分为两类:
一类是进行结构分析,内燃机的一些零部件时常发生损坏,用有限元法来分析和研究结构损坏的原因,找出危险区域和部
位,提出相应的改进设计方案。
一类是进行结构设计,在进行内燃机的结构设计时,可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算,再根据对计算结果的分析和比较,选取最佳的合理方案。
活塞、连杆、曲轴、机体、缸盖、进排气等零部件的设计上己广泛地应用了有限元分析,它不仅可以计算零部件的静、动态应力下的强度问题,还可以计算活塞的温度场和应力、缸盖的热应力等。
有限元法在内燃机工程上的运用,缩短了内燃机的开发周期和成本,提高了内燃机的可靠性、经济性。
FEA不是唯一的数值分析工具,在工程领域还有其它的数值分析方法如有限差分法、边界元法和有限体积法。
然而,由于FEA的多功能性和高数值性能,它占据了绝大多数工程分析的软件市场,而其它方法则被归入小规模的应用。
使用FEA,通过不同方法理想化集合体,我们能够分析任何形状的模型,并且得到预期的精度。
作为一个强有力的工程分析工具,FEA可以解决从简单到复杂的各种问题。
一方面,设计工程师使用FEA在产品研发过程中分析设计改进,由于时间和可用的产品数据的限制,需要对所分析的模型做许多简化。
另一方面,专家们使用FEA来解决一些非常深奥的问题,如车辆碰撞动力学、金属成形和生物结构分析。
不管项目多么复杂或者应用领域多广泛,无论是结构、热传导或者声学分析,所有FEA的第一步总是相同的,都是从几何模型开始。
2.2有限元分析的优缺点
2.2.1有限元法的优点
有限元的优点十分明显,主要表现在:
(1)整个系统离散成为有限个单元,并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程,从而可用多种方法对其求解。
(2)边界条件不进入单个有限元的方程。
而是在得到整体代数方程后再引入边界条件,这样,内部和边界上的单元都能够采用场变量模型,而且,当边界条件改变时,内部场变量模型不需要改变。
(3)有限元法考虑了物体的多维连续性,不仅在离散过程中把物体看成连续的,而且不需要用分别的插值过程把近似求解推广到连续体中的每一点。
(4)有限元法不需要适用十整个物体的插值函数,而只需要对每个子域或单元采用各自的插值函数,这就使得其对复杂形状的物体也适用。
(5)有限元法能很容易求解非均匀连续介质,而其他方法处理非均匀连续介质较困难。
(6)有限元法适用线性和非线性的场合。
2.2.2有限元分析的缺点
(1)有限元计算分析,尤其在对复杂问题的分析上,所耗的计算资源(内存,时间,磁盘空间)是相当大的。
(2)对无限区域的处理,有限元法比较困难。
(3)虽然有限元软件有自动划分网格的功能,但具体采用什么样的单元,网格的合理大小等有些问题还要依赖于经验。
(4)有限元分析所得结果并不是计算机辅助工程的全部,而且一个完整的机械设计不能单独使用有限元分析来完成,必须结合其它分析和工程实践才能完成整个工程设计。
第三章连杆的工作条件及载荷的确定
建立准确而可靠的有限元计算模型是决定有限元分析结果准确性的首要环节。
然而,实际的工程问题往往是非常复杂的,在有限元分析中,做完全符合实际的力学模型往往是较困难的,这就要求在建立计算模型的过程中,做种种必要的简化,没有这种简化,这类结构的有限元法分析往往变得异常困难,有时甚至是不可能的。
这种简化的结果,使得计算模型只能近似的反映工程实际问题,或者说计算模型在不同程度上都具有一定的近似性。
但做出合理的简化是科学的,也是必然的。
一般来说,这种力学模型的近似性所引起的误差要比有限元法本身的计算误差大得多。
从这个意义上来说,在建立有限元计算模型之前,必须对所要研究的对象(连杆)进行深入的分析,掌握其结构上的特点及其工作环境,并对它在工作时所受到的载荷有明确的认识,在此基础上才能做出科学合理的简化。
在连杆的有限元计算中,处理作用于连杆上的载荷是一件极为重要的工作。
由于作用于连杆上的载荷系统一般都比较复杂,特别是某些载荷沿边界的分布规律难以用理论或测量的方法来确定,而往往是采用一些假定的分布规律来模拟。
因此如何正确的模拟这些载荷的分布规律,是有限元法计算中不容忽视的问题。
3.1.连杆的结构和布置
连杆组件包括连杆体、连杆盖、小头衬套、连杆轴瓦及紧固螺栓等件。
连杆上接活塞,下连曲轴,将活塞的往复直线运动转换为曲轴的回转运动,使缸内燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功。
连杆组的运动情况比较复杂:
小头部分随活塞组作往复直线运动,大头部分随曲轴的曲柄销作旋转运动,杆身部分作由往复运动和摆动所组成的复合运动。
因此连杆的受力情况十分复杂,在其杆身的每一个截面上都会有弯矩、剪力和法向力,但弯矩和剪力都不大,杆身的主要载荷是交变的拉压载荷。
下面来了解一下和它相连的结构,如下图3.1所示:
[图3.1.]
连杆的布置形式一般有以下几种:
[3-1a][3-1b][3-1c]
1.并列式连杆布置(图3—1a)。
2.主副连杆布置形式(3—1b)。
3.叉形造杆布置形式(图3—1c)。
3.2柴油机一般采用斜连杆的原因
连杆大头按剖分面的方向可分为平切口和斜切口两种。
平切口连杆的剖分面垂直于连杆轴线,如图3-2a和3-2b所示。
一般汽油机连杆大头尺寸都小于气缸直径,可以采用平切口。
柴油机的连杆,由于受力较大,其大头的尺寸往往超过气缸直径。
为使连杆大头能通过气缸,便于拆装,一般采用斜切口连杆,如图3-2c所示
[3-2a][3-2b]
斜切口式连杆的大头剖分面与连杆轴线成30°
—60°
(常用45°
)夹角。
平切口的连杆盖与连杆的定位,是利用连杆螺栓上精加工的圆柱凸台或光圆柱部分,与经过精加工的螺栓孔来保证的。
斜切口连杆在工作中受到惯性力的拉伸,在切口方向也有一个较大的横向分力。
因此在斜切口连杆上必须采用可靠的定位措施。
斜切口连杆常用的定位方法有:
3-2c斜切口连杆的定位方式示意图
a)止口定位b)套筒定位c)锯齿定位
3.3连杆的工作条件及受力
连杆是发动机中传递动力的重要组件,它承受燃料燃烧时产生的气体力,它把活塞的直线运动变为曲轴的旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以对外输出功率。
由于活塞往复运动的速度不断变化,使活塞在上、下止点处速度为零,在中间附近为最大,因而使活塞组件及随活塞一起作往复运动的连杆小头产生往复惯性力。
曲轴及装在曲轴销上的连杆大头由于不停地旋转而产生离心惯性力。
由此可见,连杆在发动机工作时,作较为复杂的平面运动,[14]要承受拉、压及惯性力等各种载荷,其受力较为复杂。
它承受着衬套装配预紧力、连杆螺栓预紧力、作用在连杆小端的最大拉伸载荷(活塞组件及连杆本身的惯性力)和最大压缩载荷(气体爆发压力和惯性力的共同作用)。
连杆在工作过程中最危险的工况为燃气压力爆发时的最大压缩工况和活塞组件及连杆本身的惯性力所引起的最大拉伸工况,此时连杆处于曲轴转角为0度或360度位置。
就一般而论,连杆在工作中主要受到以下四种力的作用
(1).作用于活塞的气体作用力
(2).活塞组件的惯性力:
活塞组件中所有零件(包括活塞、活塞环、活塞销、活塞销卡环)均以加速度作变速往复直线运动;
(3).连杆惯性力
(4).预紧载荷:
连杆螺栓装配预紧力和连杆衬套过盈装配产生的预紧力。
3.4连杆的材料及制造工艺
为了保证连杆的疲劳强度,要求连杆的材料要具有良好的综合力学性能及工艺性能。
以往连杆材料几乎普遍采用碳素调质钢和合金调质钢,20世纪70年代由于石油危机,
为节省能源,欧美和日本开始大量应用非调质钢,并取得很大的进展。
连杆用材料
1.碳素钢和合金钢
碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种,通常小功
率的发动机采用碳素调质钢,大功率的发动机采用合金调质钢。
碳素钢的碳含量范围通常是0.40%~0.55%,合金钢主要添加的合金元素是铬、锰、钼、硼,可单独添加或复合添加。
碳素钢连杆的调质硬度一般在229~269HBS,合金钢连杆的调质硬度可达到300HBS,但最高不超过330HBS,这主要是考虑后续的机械加工。
调质连杆具有足够的强度和塑性,一般碳素钢抗拉强度可达到800MPa以上,冲击韧度在60J/cm2以上;
合金钢调质钢抗拉强度可达到900MPa以上,冲击韧度在80
J/cm2以上,可满足连杆的可靠性要求。
我国汽车发动机调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表1。
美国汽车发动机调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表
2。
日本及其它国家调质钢连杆所用材料牌号和技术指标见表3。
调质钢连杆的制造工序是,棒料经过剪切,热锻成形,调质处理,强力喷丸、机械加工,装配和检测。
我国在调质钢应用方面与国外差距不大,但在锻造技术方面与国外比还有一些差距。
2.非调质钢
非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加钒、钛、铌等微合金元素,通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度,使其在基体组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。
非调质钢省略了锻后的热处理,从而节省了能源,减少了生产工序,降低了成本。
另外,由于省略了调质工序,避免了零件在热处理工序中产生的淬火裂纹和变形等一系列的质量问题,对提高产品质量有一定的好处。
非调质钢按其强韧性可以分4类。
早在20世纪60年代,美国在SAE1140钢的基础上提高锰含量并添加微合金元素,锻造后不经过调质
处理即应用于轿车发动机连杆的制造中。
70年代初期,德国、日本各钢铁公司和汽车制造厂家对非调质钢进行了大量的研究工作并开发了一系列钢种,应用于汽车曲轴、半轴、轮毂轴、发动机连杆、转向节臂等的生产中。
20世纪80年代初,我国开始研究非调质钢,开发了十多个钢种,主要是钒系、锰钒系、锰钒氮系。
另外,从切削角度每个系列都开发了添加易切削元素的钢种。
其中,用于发动机连杆的钢种35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV等,这些钢种的强度级别都在900MPa以下。
通过疲劳试验,其结果表明,非调质钢连杆的疲劳强度与相同级别的调质钢相当。
非调质钢由于其添加的是微合金元素,因此材料的成本不高。
作为一种廉价的节能钢种,非调质钢正在逐步的取代调质钢,国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。
另外,随着发动机轻量化的要求,连杆的设计应力提高,中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求,再者裂解技术的应用现在正在扩大,C70S6系列的钢种的应用会越来越多。
目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种,正在推广应用。
对于非调质钢,由于锻造后不再进行其他热处理,锻造工序决定了连杆最终的力学性能,因此控制锻造加热温度和锻造后冷却速度是保证非调质钢连杆性能的重要环节。
一般要求采用感应加热,锻造后要有控冷装置。
我国发动机连杆制造企业在锻造加热和锻后控制方面近年已经取得长足的进步,具备了应用非调质钢生产连杆的条件,将来非调质钢有望完全取代调质钢制造发动机连杆。
3.粉末冶金连杆
粉末烧结锻造工艺在20世纪60年代就已出现。
当时,美国、日本及欧洲的一些国家均进行了大量的试验研究工作。
由于当时金属粉末的种类极少,又受到成本的限制,发展不快。
随着金属粉末、合金粉末的开发及相关工业的发展,粉末烧结锻造工艺也相应的得到发展,并且逐渐的应用到汽车结构件的制造之中。
用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆零件,最早是美国通用汽车公司进行这方面
的试验并取得成功,但当时没有达到批量生产。
随后,日本丰田汽车公司采用成分为Fe-2Cu-0.55C-0.1S的合金粉末生产汽车发动机连杆,并与锻钢连杆进行了拉压疲劳性能对比试验。
结果表明,粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆具有等同的
疲劳性能。
另外,采用4100S金属粉末,添加钛合金,使连杆的整体质量减轻到原来锻钢连杆质量的65%~80%,并且通过了发动机台架试验。
目前,丰田汽车粉末冶金连杆已经商品化。
英国、瑞士、德国合作,选用一种成分为Fe-1.5Cr-0.5C的合金粉末试制发动机连杆,并通过零件拉压疲劳性能试验及发动机台架试验。
德国还采用成分为Fe-(0.
35~0.45)C-(0.3~0.4)Mn-(0.1~0.25)Cr-(0.2~0.3)Ni粉末冶金连杆,用在Porsche928高性能发动机上。
粉末冶金锻造连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平,是通过以下两个方面得到保证的,一是通过锻造提高粉坯的密度,二是通过添加合金元素,使粉末锻造连杆具有足够的淬透性,保证热处理后零件的质量。
粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著,一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比,材料可节约40%,生产成本可降低10%,能源消耗可节约50%。
国内烧结锻造技术还很落后,专用的粉末冶金压机及烧结炉的应用还不普遍。
金属粉末的品种少,质量差且不稳定。
另外,烧结保护气体还需进一步地研究改进,这些都影响着我国超高密度粉末冶金零件的发展,是今后急需研究和改进的课题。
4.钛合金连杆
用钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化,金属钛的密度为4.5g/cm3,仅为钢铁材料的58%,因此用钛合金制造汽车发动机连杆,可大幅度地降低连杆的质量。
金属钛的抗拉强度比较低,仅有250~300MPa,生产中要添加合金元素来强化基体,通常是添加铝和矾。
因此,影响钛合金硬度和强度的主要因素是合金中的铝和钒含量,铝钒含量越高,合金的硬度,强度越高。
对于钛合金,也可以象钢铁材料那样,用热处理的方法改变金属组织,调整性能,使之达到使用要求。
钛合金的疲劳性能也与屈服强度、抗拉强度有一定的关系。
从试验结果看,屈服强度在850MPa以下的钛合金,疲劳强度与屈服强度呈正比;
但屈服强度在850MPa以上的钛合金,疲劳强度与屈服强度成为极限状态。
也就是说,屈服强度在850MPa以上的钛合金,不管屈服强度多高,疲劳强度与屈服强度850MPa的钛合金相差不大。
钛合金的切削性能较差,通常要添加易切削元素硫和稀土,形成硫和稀土的化合物以解决切削问题。
通常,添加易切削元素对钛合金的疲劳性能没有不利的影响,但屈服强度在850MPa以上的钛合金,添加易切削元素会降低高负荷下合金的疲劳性能。
这是因为在高负荷情况下,易切合金中的硫化物会促进疲劳裂纹的萌生和扩展,降低了材料的疲劳性能。
日本采用化学成分为Ti-3Al-2V的钛合金生产连杆,其抗拉强度可达800MPa、屈服强度可达600MPa,相当于45调质钢的强度水平。
Ti-3Al-2V易切削钛合金连杆的疲劳极限在430MPa左右,与45调质钢和800MPa级的非调质钢的疲劳极限相当。
钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻30%,由此可使连杆的往复惯性力大幅度的降低。
通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度的测量结果,钛合金连杆和钢制连杆在保持
油膜厚度相同的条件下,应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机提高700r/min,由此可使发动机的输出功率大幅度提高。
钛合金连杆还可显著地降低发动机的噪声,有利于环保。
由于钛合金的成本比较高,目前应用的范围有限,通常是用在一些高性能赛车上。
现状分析汽车技术的发展,对发动机的性能提出的要求越来越高,连杆是
发动机的关键零件之一,对连杆的要求是高强度、轻量化、低成本。
我国各大汽车集团
的主机厂发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大,不论从锻件的强度,表面强
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