李志敏 唐競

、【摘 要】為分析和評估增壓汽油機的連桿受力情況，在CATIA中建立連桿的三維模型，對連桿的邊界進行分析，并計算了3種極限工況下連桿所受的載荷，使用hypermesh對連桿組件進行網(wǎng)格劃分并在有限元軟件Abaqus中進行加載，運用求解器進行有限元計算，得到連桿應(yīng)力分布，找出連桿強度的薄弱環(huán)節(jié)并對其進行改進。計算并分析了改進后的連桿在3種極限工況下應(yīng)力的分布及變化規(guī)律。經(jīng)優(yōu)化后的發(fā)動機連桿按照邊界條件進行單體疲勞試驗，結(jié)果表明連桿達到設(shè)計目標要求。

【關(guān)鍵詞】增壓汽油機；連桿強度；仿真；試驗

【中圖分類號】TK411.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0042-04

0 引言

隨著國家整車油耗法規(guī)的日益嚴厲，各發(fā)動機和汽車公司為應(yīng)對油耗法規(guī)，想盡各種方法降低發(fā)動機的油耗，在這些降油耗的路徑中，通過廢氣渦輪增壓增加平均有效壓力和適當小型化降低摩擦是目前汽油機的一種常見的技術(shù)選擇之一。運動部件由于其負荷變化劇烈，潤滑和冷卻條件苛刻，是發(fā)動機開發(fā)過程中難度較高的零部件。連桿組合件是發(fā)動機的主要運動部件，作為機械能傳遞的關(guān)鍵零部件，在增壓汽油機的設(shè)計中，連桿的設(shè)計極其關(guān)鍵。針對公司新開發(fā)的某款增壓汽油機，為提高開發(fā)的成功率，確保其強度及可靠性能夠滿足工作要求，利用有限元法對連桿強度進行了仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果對連桿進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的連桿成功地通過了零件單體疲勞試驗。

1 連桿強度校核方法

在設(shè)計連桿中，既要考慮保證連桿強度以確保其可靠性，又要避免過度設(shè)計，導致機構(gòu)臃腫，反過來影響零件及整機的可靠性。因此，全面考察和分析連桿的工作邊界條件、應(yīng)力水平及其分布，并對此進行改進，成為連桿設(shè)計中首要考慮的問題。

在很多設(shè)計中，往往根據(jù)競品的數(shù)據(jù)和尺寸，或者參考現(xiàn)有機型的相關(guān)設(shè)計，然后根據(jù)力學公式或經(jīng)驗公式對連桿的受力、安全系數(shù)進行校核。這種方法計算簡單，但誤差較大，容易導致過度設(shè)計。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和有限元分析方法的快速發(fā)展和應(yīng)用，目前這種方法僅僅在概念設(shè)計階段使用。

也可以應(yīng)用多體動力學軟件，根據(jù)發(fā)動機工作時氣缸內(nèi)壓力等數(shù)據(jù)，分析連桿上作用的載荷，算出連桿各個慣性力及慣性力矩在不同曲軸轉(zhuǎn)角處的大小和方向，然后根據(jù)多體動力學計算的結(jié)果，施加在連桿組件的有限元模型上，計算得到連桿的應(yīng)力情況，從而對連桿的受力進行評價。使用此方法的前提是缸內(nèi)壓力等數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得，或者有較為接近的參考數(shù)據(jù)。而實際開發(fā)中，在連桿的設(shè)計階段，缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)是沒有的，甚至參考性的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)也無法獲得。設(shè)計者所得到的只是最高爆發(fā)壓力、最高發(fā)動機轉(zhuǎn)速等一系列的設(shè)計指標。無法使用該方法對連桿的應(yīng)力及分布情況進行計算。

因此，首先參考競品數(shù)據(jù)建立連桿組件的模型，其次根據(jù)最高爆發(fā)壓力、發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速等設(shè)計指標，結(jié)合理論公式計算連桿各個慣性力、最高氣體力等邊界條件，施加于連桿組件的有限元模型上，以此計算結(jié)果進行優(yōu)化和改進直到應(yīng)力水平符合設(shè)計目標值范圍。然后在試驗臺上進行試驗驗證，確保連桿的設(shè)計成功。

2 連桿的三維模型及邊界分析

與典型的發(fā)動機一樣，連桿桿身、小頭襯套、活塞銷大頭軸瓦、螺栓、連桿蓋及曲柄銷構(gòu)成了連桿組件?；钊N采用了全浮式結(jié)構(gòu)且設(shè)計有小頭襯套。

3 有限元分析

在CATIA里面建立連桿的數(shù)模，將模型導入hypermesh進行網(wǎng)格劃分，在Abaqus里建立CAE模型，各零件的網(wǎng)格采用二階四面體修正單元（C3D10M）進行建模；模型包含連桿桿身、連桿蓋、大頭軸瓦、小頭襯套、曲柄銷、活塞銷和連接螺栓等。接定義各觸面；在螺栓截面處施加規(guī)定的螺栓軸向預(yù)緊力。

由于該分析中，連桿的結(jié)構(gòu)和載荷都關(guān)于XZ平面（發(fā)動機主軸承軸線方向為Y軸）對稱，因此只需建立一半模型，并在對稱面定義對稱約束。

3.1 材料參數(shù)定義

材料參數(shù)包括基本材料屬性，各零件的材料屬性見表1。

3.2 分析工況及邊界定義

連桿受力主要有氣體壓力、活塞總成（包括活塞環(huán)、卡環(huán)、活塞銷）慣性力、連桿等效慣性力、螺栓預(yù)緊力、小頭襯套過盈擠壓產(chǎn)生的力、軸瓦和連桿大頭孔之間的過盈擠壓。主要施加的載荷及邊界如圖1所示。

由于連桿的工作環(huán)境和工況復雜，所以只選取最惡劣的載荷工況及其組合進行分析。惡劣工況下，其應(yīng)力水平如果滿足設(shè)計要求，則連桿的設(shè)計是安全的。典型的連桿極限工作條件如下。

安裝工況：最大螺栓安裝力+最大軸瓦（及襯套）過盈。

爆發(fā)工況：最大螺栓安裝力+最大軸瓦（及襯套）過盈+最大活塞氣體力。

超速工況：最大螺栓安裝力+最大軸瓦（及襯套）過盈+最大慣性力。

根據(jù)理論公式計算連桿各個慣性力、最高氣體力等邊界條件，連桿工作的相關(guān)參數(shù)可以根據(jù)公式（2）計算得到。

活塞氣體力（集中力）：

Fgmax=（pg-p0）A×106（1）

活塞（包括活塞銷、活塞環(huán)、卡簧）加速度：

a=rω2（1+λ）（2）

活塞的慣性力（集中力）：

F=-ma（3）

活塞銷慣性力通過施加加速度實現(xiàn)。

連桿往復慣性力（集中力）：

F1=-m1a（4）

上式中，λ為連桿比，m為活塞總成（包括活塞環(huán)）質(zhì)量，r為曲柄半徑，A為活塞頂投影面積（m2），pg是缸內(nèi)絕對氣壓力（MPa），p0為大氣壓力（MPa），m1為連桿集中在小頭的當量質(zhì)量。

螺栓的安裝力根據(jù)設(shè)計輸入條件得到。軸瓦和襯套的徑向過盈根據(jù)設(shè)計值得到。

3.3 計算結(jié)果分析

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，連桿初始設(shè)計存在強度不足之處，需要進行設(shè)計改進，連桿初次計算結(jié)果云圖如圖2所示。連桿強度不足的部位主要有連桿蓋螺栓擰緊附近區(qū)域米塞斯應(yīng)力超過設(shè)計允許的應(yīng)力值；連桿小頭與桿身的過渡區(qū)域米塞斯應(yīng)力超過設(shè)計允許的應(yīng)力值。

從計算結(jié)果得知，連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在不足，不能滿足連桿的工作要求，需依據(jù)計算結(jié)果進行設(shè)計優(yōu)化。

3.4 設(shè)計優(yōu)化

強度計算中發(fā)現(xiàn)，連桿的螺栓軸力對連桿大頭擰緊區(qū)域的應(yīng)力水平影響很大，其應(yīng)力很大程度是螺栓軸力所導致，通過校核設(shè)計輸入發(fā)現(xiàn)，螺栓擰緊力可以適當減小，連桿襯套及軸瓦的過盈也可以做適當調(diào)整，以減小由于襯套和軸瓦過盈導致的應(yīng)力。同時，對大頭附近應(yīng)力集中的部位進行了幾何優(yōu)化和加強，對小頭的幾何尺寸和過渡尺寸也進行了針對性的優(yōu)化。

3.5 優(yōu)化后的分析及結(jié)果

對數(shù)模進行針對性的優(yōu)化后，重新對連桿進行了分析，其計算得到的Mises應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。對各工況計算的結(jié)果表明，改進效果明顯，各工況下的有效應(yīng)力均沒有超出材料的屈服極限，且應(yīng)力小于連桿設(shè)計要求的目標經(jīng)驗值，滿足設(shè)計準則要求，同時由分析得知連桿應(yīng)力分布具有以下特點。

3.5.1 安裝工況下

（1）螺栓安裝的軸向力對連桿大頭，特別是大頭蓋影響很大，連桿身及連桿蓋在連桿螺栓安裝方向的直徑外的區(qū)域，其應(yīng)力水平較低。連桿大頭蓋的應(yīng)力水平又大大高于連桿身的應(yīng)力水平。

（2）連桿大頭軸瓦對連桿蓋及連桿身應(yīng)力水平的直接影響小于螺栓軸力的影響。而連桿小頭襯套過盈，對連桿小頭上部應(yīng)力增加影響較大，對連桿小頭下部分影響較小。這可能與該工況下，上部較下部薄弱有關(guān)。

3.5.2 爆發(fā)工況

連桿小頭的與連桿身的過渡部位、連桿身與連桿大頭的過渡部位應(yīng)力上升明顯，同時連桿身與連桿瓦在爆發(fā)壓力承受部位的應(yīng)力上升明顯。連桿小頭上部，由于受到襯套及活塞銷變形等因素的影響，其應(yīng)力也有一定程度的上升，同時連桿身的應(yīng)力水平也有一定程度的上升。其余區(qū)域變化不明顯。

3.5.3 超速工況

在該工況下，連桿小頭上部、連桿蓋非螺栓安裝區(qū)域部位的應(yīng)力上升顯著，這與該工況下這2個部位是主要受力部位有關(guān)。除此之外的其他區(qū)域的應(yīng)力變化不顯著。

綜上所述，從計算結(jié)果得知，在安裝工況、爆發(fā)工況及超速工況下，更改后的連桿組件，其計算得到的應(yīng)力水平滿足設(shè)計的目標值。并通過對計算應(yīng)力分布及變化的分析得到了其分布和變化的一些規(guī)律，同時從計算結(jié)果了解其應(yīng)力分布及變化的影響因素。為設(shè)計提供了參考。

4 連桿單體疲勞試驗

為驗證連桿的設(shè)計及實際零件的可靠性，為縮短開發(fā)周期，驗證設(shè)計，在沒有進行發(fā)動機試驗的情況下，對連桿零件單體進行了疲勞試驗。根據(jù)連桿受力規(guī)律的分析，連桿總成疲勞試驗為不對稱循環(huán)拉壓疲勞試驗，連桿總成疲勞試驗采用載荷控制，在小頭施加脈沖拉壓力，模擬連桿在發(fā)動機中工作的工況。其中，脈沖拉壓力與仿真計算時所施加的邊界條件一致，以驗證設(shè)計。

試驗交變載荷幅為4～6級，每級載荷為2～3個試樣，至少1～2件試樣疲勞壽命達到循環(huán)基數(shù)（1 000萬次），以獲得疲勞壽命S-N曲線和連桿疲勞強度。

根據(jù)單體試驗結(jié)果，基于統(tǒng)計學原理，結(jié)合零構(gòu)件工作應(yīng)力分布情況，定量分析零構(gòu)件疲勞壽命的可靠性。

分析疲勞試驗數(shù)據(jù)得出樣品母體的疲勞強度分布函數(shù)，獲得各種成活率下總體疲勞強度均值及標準離差。并可通過與連桿服役工作載荷分布函數(shù)的干涉，得到連桿服役定量失效概率。結(jié)果表明，連桿服役定量失效概率達到設(shè)計目標要求，在安全壽命設(shè)計要求范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

通過對連桿進行仿真分析，得到了連桿在各工況條件下的應(yīng)力強度水平、分布導致規(guī)律及變化特點，其強度水平達到了設(shè)計的目標值。仿真分析的結(jié)果為設(shè)計提供了有力的參考。

連桿在單體的疲勞試驗中，通過施加于仿真設(shè)計一致的邊界條件，根據(jù)試驗后的結(jié)果得到的服役定量失效概率達到設(shè)計目標要求，在安全壽命設(shè)計要求范圍內(nèi)，連桿滿足使用要求。

參 考 文 獻

[1]岳東鵬.車用發(fā)動機連桿有限元分析[J].津工程師范學院學報，2007（2）：19-22.

[2]袁兆成.內(nèi)燃機設(shè)計[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[責任編輯：鐘聲賢]