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連桿是內(nèi)燃機(jī)中重要的傳動(dòng)零件之一，在工作中承受各種復(fù)雜的和周期性變化載荷，若其強(qiáng)度不夠，很容易引起疲勞破壞而斷裂，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，造成極嚴(yán)重的后果。作為一種有效的分析方法，有限元分析在連桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中己經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。
隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而單缸發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的主要機(jī)型，其中1100型單缸柴油機(jī)是主要機(jī)型之一。本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)1100型柴油機(jī)的連桿進(jìn)行了有限元分析，得到連桿的應(yīng)力分布、安全系數(shù)和疲勞壽命的情況，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為此連桿的可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
1、建立模型
連桿材料為45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，建立準(zhǔn)確和可靠的計(jì)算模型是應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。對(duì)連桿的大頭端做了簡(jiǎn)化處理，不考慮連桿軸瓦、襯套和螺栓的預(yù)緊力，把連桿體和連桿蓋作為一個(gè)整體造型。對(duì)一些影響連桿強(qiáng)度極微的小倒角和小圓角做了簡(jiǎn)化處理。
2、載荷施加
連桿在工作時(shí)所承受的周期性變化的外力主要由兩部分組成：一是經(jīng)活塞頂部傳來(lái)的燃?xì)獗l(fā)壓力，對(duì)連桿起壓縮作用；二是活塞連桿組高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，對(duì)連桿起拉伸作用。故在分析時(shí)，主要考慮連桿的最大燃?xì)鈮毫Α⒒钊M件的慣性力和連桿組件的慣性力。
2.1、氣體作用力
氣體作用力是由于燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的氣體壓力直接作用在活塞上，活塞通過(guò)活塞銷把作用力傳遞到連桿小頭。
2.2、活塞組件的往復(fù)慣性力
活塞組件的所有零件包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷和活塞銷片環(huán)。活塞組件的質(zhì)量m}即為所有組件的質(zhì)量之和。活塞組件的往復(fù)慣性力作用在活塞銷上，并通過(guò)活塞銷作用在連桿上。
2.3、連桿的慣性力
連桿組包括連桿體、大頭蓋、連桿軸瓦、連桿螺栓和連桿襯套。連桿組的質(zhì)量由這些部分組成。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常把作復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的連桿質(zhì)量分為兩部分：一部分集中在連桿小頭質(zhì)量為m，把其看作只與活塞一起做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一部分集中在連桿大頭質(zhì)量為mz，把其看作只與曲柄一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，連桿的慣性力包括小頭部分的往復(fù)慣性力和大頭部分的旋轉(zhuǎn)慣性力。
對(duì)連桿的分析包括兩種工況，即最大拉伸工況和最大壓縮工況。載荷的作用力方向通過(guò)大小頭孔中心的連線，并且作用在連桿大小頭孔的內(nèi)表面，沿軸線方向按二次拋物線分布，沿徑向呈余弦分布。在最大拉伸工況下，連桿小頭孔載荷沿小頭孔圓周方向在120°范圍內(nèi)按余弦分布，連桿大頭孔載荷沿大頭孔圓周方向在180°范圍內(nèi)按余弦分布；在最大壓縮工況下，連桿大小頭孔的載荷均沿孔的圓周方向在180°范圍內(nèi)按余弦分布。
3、連桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
由于整個(gè)連桿的安全系數(shù)為1.24，數(shù)值較設(shè)計(jì)值富裕量較少，為了提高連桿的整體性能，對(duì)連桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。由前面的分析結(jié)果可知，連桿的小頭與桿身的過(guò)渡位置及靠近連桿大頭的工字型截面內(nèi)為主要應(yīng)力的集中部位，需要對(duì)這兩個(gè)位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸改進(jìn)，主要改進(jìn)位置有3處，即連桿小頭與桿身的過(guò)渡圓角D、靠近連桿大頭工字型截面內(nèi)的倒角Dz以及邊倒角D3。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案與優(yōu)化后的分析計(jì)算可知：方案1的結(jié)構(gòu)相對(duì)于優(yōu)化前的最大拉應(yīng)力減小了很多，但最大壓應(yīng)力幾乎保持不變，疲勞壽命有很大的增加；在方案2中，隨著3個(gè)倒圓角尺寸的增大，最大壓應(yīng)力迅速降低，疲勞壽命有所增加，在第3種方案中，當(dāng)圓角尺寸繼續(xù)增加的時(shí)候，最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力相對(duì)于方案2已基本不變，且其安全系數(shù)與第2種方案相同，都為1.350。
根據(jù)優(yōu)化分析的目標(biāo)(即通過(guò)連桿的最優(yōu)化設(shè)計(jì))，遵守質(zhì)量最輕、應(yīng)力應(yīng)變最小和疲勞壽命最大的原則，對(duì)3種方案綜合考慮，認(rèn)為方案2為最優(yōu)化方案。其原因是方案2中的應(yīng)力值相對(duì)于優(yōu)化前的應(yīng)力值己經(jīng)減少很大，而疲勞壽命值也有顯著增加。在方案3中，雖然疲勞壽命有所增加，但其修改的結(jié)構(gòu)尺寸與原尺寸己有很大出入，結(jié)構(gòu)形狀已發(fā)生了很大的改變。因此，認(rèn)為方案2是最優(yōu)方案。
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