毛瑩 黃國(guó)彧 楊杰 朱玲玉

摘要：連桿是內(nèi)燃機(jī)的主要零部件之一，但由其引起的邊載問(wèn)題對(duì)內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)定性運(yùn)行造成很大的影響，且始終未徹底解決。本文針對(duì)某機(jī)型連桿小頭襯套出現(xiàn)的邊載問(wèn)題，對(duì)連桿小頭襯套增加了型線(xiàn)的設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元及彈性液體動(dòng)力學(xué)（EHD）模擬計(jì)算，綜合對(duì)比連桿小頭襯套的三種不同型線(xiàn)的總壓及干摩擦壓力，最終確定能滿(mǎn)足要求的連桿小頭襯套型線(xiàn)。

Abstract： The connecting rod is one of the main parts of internal combustion engine， but the side load problem has a great influence on the stability of internal combustion engine， and it has not been completely solved. In view of the side load problem on the small end bushing， the design of profile is added to the small end bushing of connecting rod.The total pressure and dry friction pressure of three different types of connecting rod small end bushing are comprehensively compared by the bearing EHD calculation， and finally the type of connecting rod small end bushing that can meet the requirements is determined.

關(guān)鍵詞：邊載;襯套;型線(xiàn)

Key words： side load;bushing;molded lines

中圖分類(lèi)號(hào)：TK423.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0042-03

0? 引言

隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求在追求高速化的同時(shí)，也越來(lái)越趨向于低污染、低排放，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。連桿是內(nèi)燃機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)件之一，起到傳遞力和轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)的作用[1]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)爆壓和功率的不斷提升，連桿小頭襯套成為了發(fā)動(dòng)機(jī)的主要易損件，其工作可靠性將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性[2]。連桿小頭襯套在工作中受到?jīng)_擊性的氣體爆發(fā)壓力和活塞連桿組慣性力的動(dòng)負(fù)荷作用，需選擇合適的合金材料承受最高油膜壓力，同時(shí)還要有合適的油膜厚度防止金屬材料之間的干摩擦[1]。但在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，在保證良好潤(rùn)滑的情況下，也會(huì)有襯套咬合的故障，這就是連桿小頭襯套的邊載造成的。 連桿小頭襯套的邊載會(huì)導(dǎo)致連桿小頭襯套與活塞銷(xiāo)之間產(chǎn)生干摩擦，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致?lián)v缸，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性[3]。為解決邊載的問(wèn)題，本文提出增加連桿小頭襯套的型線(xiàn)的方案，并通過(guò)限元及彈性液體動(dòng)力學(xué)（EHD）計(jì)算，最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1? 問(wèn)題描述

某輕型非道路發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)后連桿小頭襯套出現(xiàn)邊載，碳化的現(xiàn)象，如圖1所示。本文對(duì)此連桿小頭進(jìn)行EHD計(jì)算校核。

2? 有限元計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型建立

有限元模型包括連桿體、小頭襯套及大頭軸瓦等，大頭軸瓦及小頭襯套模型采用六面體網(wǎng)格，其余模型采用四面體二階單元如圖2所示。建立多體動(dòng)力學(xué)模型，包括曲柄銷(xiāo)和活塞銷(xiāo)模型。連桿大頭軸瓦與曲柄銷(xiāo)之間采用NONL方式連接，連桿小頭襯套與活塞銷(xiāo)之間采用的液動(dòng)潤(rùn)滑軸承連接。

2.2 邊界條件加載

在活塞銷(xiāo)上施加爆壓載荷，主要考慮的是大扭矩轉(zhuǎn)速及額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速下的爆壓曲線(xiàn)，在標(biāo)定爆壓下大扭矩轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速下的爆壓曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖3和圖4。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 一維計(jì)算結(jié)果

大扭矩轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速工況下連桿小頭襯套最大油膜總壓、最大干摩擦壓力及最小油膜厚度分別如圖5、圖6和圖7所示。

2.3.2 二維計(jì)算結(jié)果

大扭矩轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速工況下，二維EHD計(jì)算結(jié)果及限值如圖8、圖9所示，其中最大油膜總壓高達(dá)390MPa，遠(yuǎn)高于限值280MPa，不滿(mǎn)足要求;最大干摩擦壓力在邊緣也達(dá)到390MPa，高于限值140MPa，此設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足要求。

由于總壓與干摩擦壓力和液動(dòng)壓力相關(guān)，因此干摩擦壓力過(guò)大是導(dǎo)致總壓過(guò)大的主要原因，由圖8-圖9可知，干摩擦主要出現(xiàn)在襯套90～270°之間，也就是在襯套邊緣處，因此建議增加襯套型線(xiàn)。

提供三種襯套型線(xiàn)方案，如圖10所示。以大扭矩轉(zhuǎn)速1400r/min為例三種襯套型線(xiàn)方案對(duì)應(yīng)的總壓及干摩擦一維計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示。總壓及干摩擦二維結(jié)果如圖13、圖14和圖15所示。原計(jì)算無(wú)型線(xiàn)方案及三種襯套型線(xiàn)方案最大油膜總壓及干摩擦數(shù)值對(duì)比如表1所示。

3? 結(jié)論

①原無(wú)型線(xiàn)的方案總壓及干摩擦壓力高于限值不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。②改進(jìn)方案中的方案二可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可使用此方案的連桿小頭襯套型線(xiàn)。③有限元分析結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后，經(jīng)后期的試驗(yàn)驗(yàn)證，增加連桿小頭襯套型線(xiàn)的連桿可以滿(mǎn)足要求，耐久后的連桿如圖16所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]陳伯賢.連桿小頭襯套的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)配件，1989（3）：1-9.

[3]方金梅.活塞銷(xiāo)的連接配合與故障分析[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2014（5）：40-43.