摘要：本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的連桿運(yùn)動(dòng)過程中的受力問題，運(yùn)用了彈性力學(xué)、塑性力學(xué)的相關(guān)知識及有限元理論，得到了連桿運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，運(yùn)用了solidworks軟件建模，并以ansys workbench軟件為平臺(tái)進(jìn)行有限元的求解，得到了連桿的變形及等效應(yīng)力應(yīng)變，并給出合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)連桿；受力分析；有限元理論；應(yīng)力應(yīng)變

本文旨在確定在連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)各種力的影響下，連桿的變形及應(yīng)力應(yīng)變情況，并對結(jié)果進(jìn)行分析以便給出合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議。

1.連桿的受力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞、活塞環(huán)、連桿及曲軸組成。汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞在氣缸中做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲軸繞軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而處在活塞與曲軸之間的連桿便做復(fù)雜的擺動(dòng)，既有上下運(yùn)動(dòng)，也有左右擺動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力主要來自四個(gè)方面：燃燒室內(nèi)氣體壓力、運(yùn)動(dòng)部件的慣性力、各個(gè)相對運(yùn)動(dòng)表面之間的摩擦力及外部載荷作用在機(jī)構(gòu)上的反作用力（力矩）。其中，相對運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦力主要取決于潤滑情況、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及相對運(yùn)動(dòng)表面的粗糙度，工作阻力矩主要取決于受力情況。本文主要分析慣性力及燃?xì)鈮毫B桿機(jī)構(gòu)的影響。

在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中，雖然進(jìn)排氣過程氣體對活塞都有阻礙作用，但是由于作用力很小，因而可忽略不計(jì)，這里主要考慮壓縮和做功沖程氣體阻力對活塞連桿的影響。

（1）做功沖程

發(fā)動(dòng)機(jī)在做功行程時(shí)燃燒室內(nèi)可燃混合氣被壓燃，燃燒產(chǎn)生的壓力推動(dòng)活塞下行。假設(shè)氣體作用在活塞頂上的總壓力為F，經(jīng)活塞傳給連桿時(shí)，由于連桿是偏斜的，因此將總作用力分解為F1，F(xiàn)2，其中F1方向垂直于汽缸壁，使活塞和氣缸壁之間產(chǎn)生側(cè)壓力，F(xiàn)2方向沿著連桿，使連桿軸承、軸頸和主軸承壓緊。

綜上，做功行程燃燒室內(nèi)燃?xì)鈮毫最終表現(xiàn)為側(cè)壓力F1、壓緊力F2，隨連桿運(yùn)動(dòng)過程中位置變化，這幾個(gè)力的大小和方向也在變化。

（2）壓縮沖程

壓縮行程中氣體阻礙活塞運(yùn)動(dòng)，與做功沖程類似，氣體作用在活塞上的總壓力F'最終分解成側(cè)壓力F'1和壓緊力F'2。他們的大小也隨著曲軸位置變化而變化。

（3）慣性力

活塞在運(yùn)動(dòng)中由于速度的大小和方向變化，必然會(huì)產(chǎn)生慣性力作用，其大小與活塞組質(zhì)量和加速度成正比，方向在減速運(yùn)動(dòng)時(shí)與和運(yùn)動(dòng)方向一致，加速運(yùn)動(dòng)時(shí)與運(yùn)動(dòng)方向相反。在曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)存在直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的慣性力。

i）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)

活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)其速度近似呈正弦曲線變化。到達(dá)上下止點(diǎn)時(shí)速度最小為零，臨近中間行程時(shí)速度最大，因而當(dāng)活塞從上往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，前半段為加速運(yùn)動(dòng)，后半段為減速運(yùn)動(dòng)，即前半段慣性力方向向上，后半段慣性力方向向下。同理可得，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，前半段慣性力方向向下，后半段慣性力方向向上，即不管活塞向上還是向下運(yùn)動(dòng)，活塞在上半氣缸時(shí)，慣性力方向向上，活塞處于下半氣缸時(shí)，慣性力方向向下?；钊M件質(zhì)量越大，曲軸轉(zhuǎn)速越大，則往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的慣性力就越大，引起發(fā)動(dòng)機(jī)上下振動(dòng)。

ii）旋轉(zhuǎn)慣性力

曲軸連桿軸頸、連桿大頭和曲柄軸都繞著曲軸中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此必然產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力。若將旋轉(zhuǎn)慣性力分解為水平和豎直兩個(gè)方向，則豎直方向上的力將加強(qiáng)豎直方向上的慣性力，水平方向的分力將產(chǎn)生水平方向的振動(dòng)。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿建模

在建模之前首先要弄清楚連桿結(jié)構(gòu)及參數(shù)，連桿主要由連桿大頭、連桿桿身及連桿小頭組成。[1]

（1）連桿小頭的結(jié)構(gòu)型式 連桿小頭用來裝活塞銷，并與活塞裝在一起。為了襯套潤滑，小頭上一般銑有油槽，并通過襯套上的孔或者槽與襯套內(nèi)表面相連通。

（2）連桿大頭的結(jié)構(gòu)型式 連桿大頭用來連接曲軸，為了方便安裝，連桿大頭一般做成分開式，一般是連桿大頭，一般是連桿蓋，二者用螺栓連接。連桿大頭切口形式有平切口和斜切口，本文研究對象為平切口連桿。

（3）桿身的結(jié)構(gòu)型式 桿身通常采用“工”字形斷面形狀，用以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在有些發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿桿身上還鉆有油孔，使連桿的潤滑油流向連桿小頭。

綜上所述，選取一般連桿的參數(shù)如表1，材料屬性如表2。

3.連桿靜力學(xué)有限元分析[2]

在上止點(diǎn)附近，活塞受到的氣體壓力為：

D——?dú)飧變?nèi)徑，D=130mm

p——燃?xì)獗l(fā)壓力，p=107pa

因此連桿受到的壓力為：

S——小頭接觸面積，S=42×42=1764mm2

計(jì)算出p=75Mpa.最終結(jié)果如圖2-4。

4.結(jié)語

本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)連桿受力問題，采用有限元方法，利用軟件求解得出結(jié)果，并結(jié)合連桿的變形、應(yīng)力及應(yīng)變給出了合理建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳新軒.現(xiàn)代工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)與底盤構(gòu)造[M].人民交通出版社，2002：20-38

[2] 張洪信.有限元基礎(chǔ)理論與ANSYS11.0應(yīng)用 [M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009：129-133

作者簡介：李彬（1997-），男，漢，安徽人，重慶交通大學(xué)本科生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化