李元穎　張永亮

摘 要：通過有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷三體配合的模型，針對連桿小端-襯套-活塞銷在氣體爆發(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)中活塞通過活塞銷和襯套與連桿連接，以推動曲軸的轉(zhuǎn)動，活塞銷與襯套在內(nèi)燃機(jī)運轉(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，內(nèi)燃機(jī)日益向高速和大功率方向發(fā)展，相應(yīng)地，對于軸承各個方面的性能要求也越來越高。因此，深入分析、計算連桿襯套的強(qiáng)度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問題，以及相關(guān)因素對襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于提高內(nèi)燃機(jī)整機(jī)工作的可靠性和延長使用壽命都具有十分重大的意義。

對于連桿襯套受氣體爆發(fā)壓力和慣性力作用時的應(yīng)力計算，雖然其形狀并不復(fù)雜，但由于連桿襯套與連桿小端過盈裝配，連桿襯套又與活塞銷存在接觸，活塞銷受慣性力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力共同作用。襯套的實際應(yīng)力的準(zhǔn)確計算比較困難，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算連桿襯套應(yīng)力提供了條件，目前已成為計算連桿襯套應(yīng)力的主要手段。

文章通過ANSYS軟件為針對連桿小端-襯套-活塞銷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)計提供參考[1]。

活塞銷載荷是襯套強(qiáng)度計算的基礎(chǔ)，進(jìn)行連桿-襯套-活塞銷三體接觸分析計算時，首先要確定活塞銷負(fù)荷。連桿小端與襯套過盈配合，通過活塞銷與活塞連接作直線往復(fù)運動，在柴油機(jī)的整個工作過程中，處于進(jìn)氣沖程階段時，連桿通過活塞銷帶動活塞向下運動，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動活塞向上運動，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的巨大壓力推動活塞下行，活塞通過活塞銷推動連桿向下運動，連桿再推動曲軸轉(zhuǎn)動，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)為研究對象，1500rpm工況下受最大爆發(fā)壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計算了柴油機(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對比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響，以及襯套與活塞銷配合間隙對襯套最大等效應(yīng)力的影響。

表3所示為16MPa爆發(fā)壓力下不同寬度時比壓及襯套最大等效應(yīng)力的計算值。圖4為寬度B對比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響。計算結(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、計算連桿襯套的強(qiáng)度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問題，以及襯套材料、規(guī)格對襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于連桿襯套的設(shè)計具有十分重大的意義。通過連桿襯套的強(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)動力學(xué)[M].北京：國防工業(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.

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

摘 要：通過有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷三體配合的模型，針對連桿小端-襯套-活塞銷在氣體爆發(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)中活塞通過活塞銷和襯套與連桿連接，以推動曲軸的轉(zhuǎn)動，活塞銷與襯套在內(nèi)燃機(jī)運轉(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，內(nèi)燃機(jī)日益向高速和大功率方向發(fā)展，相應(yīng)地，對于軸承各個方面的性能要求也越來越高。因此，深入分析、計算連桿襯套的強(qiáng)度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問題，以及相關(guān)因素對襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于提高內(nèi)燃機(jī)整機(jī)工作的可靠性和延長使用壽命都具有十分重大的意義。

對于連桿襯套受氣體爆發(fā)壓力和慣性力作用時的應(yīng)力計算，雖然其形狀并不復(fù)雜，但由于連桿襯套與連桿小端過盈裝配，連桿襯套又與活塞銷存在接觸，活塞銷受慣性力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力共同作用。襯套的實際應(yīng)力的準(zhǔn)確計算比較困難，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算連桿襯套應(yīng)力提供了條件，目前已成為計算連桿襯套應(yīng)力的主要手段。

文章通過ANSYS軟件為針對連桿小端-襯套-活塞銷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)計提供參考[1]。

活塞銷載荷是襯套強(qiáng)度計算的基礎(chǔ)，進(jìn)行連桿-襯套-活塞銷三體接觸分析計算時，首先要確定活塞銷負(fù)荷。連桿小端與襯套過盈配合，通過活塞銷與活塞連接作直線往復(fù)運動，在柴油機(jī)的整個工作過程中，處于進(jìn)氣沖程階段時，連桿通過活塞銷帶動活塞向下運動，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動活塞向上運動，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的巨大壓力推動活塞下行，活塞通過活塞銷推動連桿向下運動，連桿再推動曲軸轉(zhuǎn)動，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)為研究對象，1500rpm工況下受最大爆發(fā)壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計算了柴油機(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對比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響，以及襯套與活塞銷配合間隙對襯套最大等效應(yīng)力的影響。

表3所示為16MPa爆發(fā)壓力下不同寬度時比壓及襯套最大等效應(yīng)力的計算值。圖4為寬度B對比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響。計算結(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、計算連桿襯套的強(qiáng)度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問題，以及襯套材料、規(guī)格對襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于連桿襯套的設(shè)計具有十分重大的意義。通過連桿襯套的強(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)動力學(xué)[M].北京：國防工業(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.

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

摘 要：通過有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷三體配合的模型，針對連桿小端-襯套-活塞銷在氣體爆發(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)中活塞通過活塞銷和襯套與連桿連接，以推動曲軸的轉(zhuǎn)動，活塞銷與襯套在內(nèi)燃機(jī)運轉(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，內(nèi)燃機(jī)日益向高速和大功率方向發(fā)展，相應(yīng)地，對于軸承各個方面的性能要求也越來越高。因此，深入分析、計算連桿襯套的強(qiáng)度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問題，以及相關(guān)因素對襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于提高內(nèi)燃機(jī)整機(jī)工作的可靠性和延長使用壽命都具有十分重大的意義。

對于連桿襯套受氣體爆發(fā)壓力和慣性力作用時的應(yīng)力計算，雖然其形狀并不復(fù)雜，但由于連桿襯套與連桿小端過盈裝配，連桿襯套又與活塞銷存在接觸，活塞銷受慣性力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力共同作用。襯套的實際應(yīng)力的準(zhǔn)確計算比較困難，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算連桿襯套應(yīng)力提供了條件，目前已成為計算連桿襯套應(yīng)力的主要手段。

文章通過ANSYS軟件為針對連桿小端-襯套-活塞銷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)計提供參考[1]。

活塞銷載荷是襯套強(qiáng)度計算的基礎(chǔ)，進(jìn)行連桿-襯套-活塞銷三體接觸分析計算時，首先要確定活塞銷負(fù)荷。連桿小端與襯套過盈配合，通過活塞銷與活塞連接作直線往復(fù)運動，在柴油機(jī)的整個工作過程中，處于進(jìn)氣沖程階段時，連桿通過活塞銷帶動活塞向下運動，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動活塞向上運動，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃?xì)獗l(fā)產(chǎn)生的巨大壓力推動活塞下行，活塞通過活塞銷推動連桿向下運動，連桿再推動曲軸轉(zhuǎn)動，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)為研究對象，1500rpm工況下受最大爆發(fā)壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計算了柴油機(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對比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響，以及襯套與活塞銷配合間隙對襯套最大等效應(yīng)力的影響。

表3所示為16MPa爆發(fā)壓力下不同寬度時比壓及襯套最大等效應(yīng)力的計算值。圖4為寬度B對比壓及襯套最大等效應(yīng)力的影響。計算結(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、計算連桿襯套的強(qiáng)度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發(fā)壓力下的強(qiáng)度問題，以及襯套材料、規(guī)格對襯套強(qiáng)度的影響規(guī)律，對于連桿襯套的設(shè)計具有十分重大的意義。通過連桿襯套的強(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)動力學(xué)[M].北京：國防工業(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.

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