(完整版)柴油机连杆的优化设计毕业设计

毕业设计（论文）

题目6108柴油机

连杆的优化设计

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毕业设计（论文）作者（签字）：

年月

摘要

连杆在现代汽车工业中所起到的作用无可替代，是发动机中主要传动部件之一。但由于连杆工作情况的恶劣，传统的设计方法已经很难兼顾稳定性、经济性等方面，缺乏竞争力。本文基于这一实际情况首先将完成6108型柴油机连杆各参数的设计计算并进行传统校核，校核均安全后运用CATIA和CAXA等软件分别建立三维和二维模型，完成连杆三维和二维的零件图和装配图。有限元法是现代设计一种常用的高效能方法，将整个连续体离散为有限个单元，通过各个单位的应力情况得到更直观的分析结果。本设计利用CATIA对已建好的三维连杆体模型进行有限元分析，得出连杆应力分布图、变形图、位移图等信息，对照所得的应力图等进行更准确的分析，最后提出了优化方案。

关键词：连杆三维建模 CATIA 有限元分析优化设计

ABSTRACT

Connecting rod in the modern automobile industry plays a irreplaceable role, is one of the main transmission parts in the engine. But due to the bad connecting rod working condition, the traditional design method is hard to balance stability, economy, etc., the lack of competitiveness. First in this paper, based on the actual situation will complete the design calculation and the parameters of 6108 type diesel engine connecting rod for traditional check, check all safety using CATIA and CAXA software respectively after three under two kinds of model is set up, finish connecting rod three peacekeeping 2 d part drawing and assembly drawing. Finite element method (fem) is a kind of commonly used highly efficient modern design method, the entire continuum of finite discrete units, more intuitive is obtained by the stress state in each unit of

analysis results. This design using CATIA to already developed three-dimensional model for finite element analysis of connecting rod body, it is concluded that the connecting rod stress distribution and deformation figure, displacement diagram, such as information, control the should try to make more accurate analysis, finally put forward the optimization scheme.

Keywords: finite element analysis of connecting rod 3 d modeling using CATIA optimization design

目录

摘要 ............................................................. I ABSTRACT ......................................................... I I 1 绪论 . (1)

1.1 连杆简介及设计要求 (1)

1.1.1 连杆简介 (1)

1.1.2 设计要求 (2)

1.2 CATIA简介 (2)

1.3 本课题研究方向及意义 (2)

1.4 本章小结 (3)

2 连杆参数设计及校核 (4)

2.1 材料选择及强化处理 (4)

2.1.1 连杆材料的选择 (4)

2.1.2 强化处理工艺 (4)

2.2 连杆主要尺寸参数的设计 (4)

2.2.1 连杆长度L (4)

2.2.2 连杆小头设计 (5)

2.2.3 连杆衬套设计 (6)

2.2.4 连杆杆身设计 (6)

2.2.5 连杆大头设计 (7)

2.2.6 连杆螺栓设计 (8)

2.3 连杆小头的强度计算 (9)

2.3.1连杆小头承受的作用力 (9)

2.3.2 连杆小头轴承的比压校核 (13)

2.3.3 连杆小头的疲劳安全系数 (13)

2.3.4 连杆小头横向直径减少量 (14)

2.4 连杆杆身的强度计算 (14)

2.4.1连杆所受最大拉伸力和压缩力 (14)

2.4.2 连杆中间截面的应力和安全系数 (15)

2.5连杆大头的强度计算 (17)

2.5.1 强度计算假设 (17)

2.5.2 连杆大头盖受力 (18)

2.5.3 连杆大头横向直径减少值 (20)

2.6连杆螺栓的强度计算 (20)

2.6.1 连杆螺栓的受力 (20)

2.6.2 螺纹所受拉应力 (20)

2.6.3 螺栓安全系数 (21)

2.7 本章小结 (22)

3 连杆三维模型的建立 (23)

3.1 连杆的建模思路 (23)

3.2 连杆的建模过程 (23)

3.2.1 连杆体的建立 (23)

3.2.2 连杆衬套、连杆大头盖、螺栓、轴瓦 (30)

3.3 连杆装配思路 (31)

3.4 连杆的装配 (31)

3.5 本章小结 (33)

4 连杆的有限元分析 (34)

4.1 有限元分析思路 (34)

4.2 连杆材料的选择 (34)

4.3 网格的划分 (35)

4.4 检查模型 (35)

4.5 添加连接和设置边界条件 (36)

4.5.1 添加连接 (36)

4.5.2 边界条件 (36)

4.6 施加载荷、计算模型、生成应力图 (36)

4.7连杆疲劳强度校核 (38)

4.8优化方案 (40)

4.9 本章小结 (40)

5 结论 (41)

参考文献 (42)

致谢 (43)

附录 (44)

附件：连杆二维零件图和装配图 (44)

1 绪论

1.1 连杆简介及设计要求

1.1.1 连杆简介

连杆在发动机中起到的作用十分重要，是一个不可或缺的部件。它将活塞往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，在活塞和曲轴之间传递作用力以输出功率。连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。连杆在工作中，除承受活塞传来的气体作用力外，还有活塞组和连杆小头的往复惯性力以及连杆本身绕活塞销座变速摆动的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能，又要求具有足够的刚性和韧性。连杆的基本载荷是拉伸和压缩。最大拉伸载荷出现在进气冲程开始的上止点附近，最大压缩载荷出现在膨胀冲程开始的上止点附近。此外，由于连杆是一细长杆件，在压缩载荷作用下，还会引起平行和垂直于曲轴轴线平面内的弯曲。两种弯曲都会给杆身以附加弯曲应力。连杆摆动的角加速度和转动惯量而产生的惯性力矩，也使连杆承受附加弯矩。连杆结构如图1-1所示。

图1-1 连杆结构

1.1.2 设计要求

查《柴油机设计手册》，连杆的设计要求为：

（1）结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用；

（2）在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能的减轻重量，以降低惯性力；

（3）尽量缩短长度，以降低发动机的总体尺寸和总重量；

（4）大小头轴承工作可靠，耐磨性好；

（5）连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠；

（6)易于制造，成本低。

连杆不仅是传力构件也是运动件，不能只靠加大尺寸来改变承载能力，要从材料选用、构形设计、热处理、表明强化等方面采取措施进行优化。

1.2 CATIA简介

CATIA是法国达索飞机公司开发的CAD/CAM软件，其强大的曲面设计在飞机、汽车、轮船等领域有很高的知名度，它的曲面造型功能体现在提

供了丰富的造型工具来支持用户的造型需求，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。

CATIA V5R20作为CATIA产品系列，具有良好的开放性和协同性，其内容有：配置、二维草图的绘制、零件设计、装配设计、创成式外形设计、自由曲面设计、IMA造型设计、工程图设计、钣金设计、高级渲染、DMU 电子样机、模具设计、数控加工、结构分析等。本设计将采用CATIA V5R20进行三维模型的创建和有限元分析。

1.3 本课题研究方向及意义

内燃机是现代机械的动力源泉，现广泛用于各种交通工具上。连杆是内燃机的主要运动件之一，主要实现力和功率的传递。汽车工业的发展首先应该是内燃机性能的提高和改善，其建立在内燃机各部件性能和使用寿命不断提高的基础上的。当前工业发展要求内燃机在有足够的强化程度上，转速和功率有较大提高，可以预见各部件特别是连杆的工作坏境将变得更加恶劣。连杆工作情况将直接影响内燃机整体性能，由其“蝴蝶效应”带来的经济损失是不可估量的。在追求利益最大化、产品结构最优化的今天，连杆面临的最大问题是结构和稳定性的问题，本课题的研究方向在于采用CATIA软件对连杆进行有限元分析，得出如应力分布、最大应力点等连杆工况的信息，对其进行力学分析，从而进一步完成优化设计。优化设计的意义在于在满足连杆基本的强度刚度的基础上，对其进行改型设计，从而使连杆可靠性、经济性等方面获得提升，自身质量更小，使其工作更加高效，满足工业发展的日益需求。

1.4 本章小结

本章内容为绪论内容，对连杆、课题意义和有限元软件CATIA等内容进行了简单介绍，为连杆参数的设计做铺垫，并指明了本课题大致内容。

2 连杆参数设计及校核

本课题所设计的6108柴油机基本参数如表2-1所示。

缸径×行程（mm) 108×125

活塞总排量（L） 6.871

压缩比17.5:1

标定功率/转速

92/2200

（kw/r/min)

外形尺寸

1139×800×1334

（长×宽×高）（mm)

表2-1 6108型柴油机基本参数

2.1 材料选择及强化处理

2.1.1 连杆材料的选择

由于连杆的工作环境恶劣，连杆材料的选择就是在保证结构轻巧的条件下有较高强度和疲劳强度，有足够的刚性和韧性。连杆材料一般采用中碳钢和中碳合金钢，如45钢、40CRr等。本设计发动机为中小功率发动机，结合实际情况，连杆材料采用45钢即符合要求。

2.1.2 强化处理工艺

连杆模锻，在机械加工前应经调制质处理，以得到较高的综合机械性能，既强又韧。为了提高连杆的疲劳强度，不经机械加工的表面应经过喷

丸处理。喷丸强化是提高连杆抗疲劳性能的有效方法，该技术在国外早已得到广泛的应用，国内一些军工企业和先进厂家也得到逐步采用，喷完处理后连杆表层会产生剧烈塑性变形，使晶体点阵发生畸变，表层行成高密度的位错缠结从而达到强化的目的。另外连杆还必须进行磁力探伤检验，以求工作可靠。

2.2 连杆主要尺寸参数的设计

2.2.1 连杆长度L

查《柴油机设计手册》，目前常用的值在范围内。曲柄连杆比一般较大，这样可以使柴油机机体高度降低，质量减小，而且越大意味着连杆长度越小，可以节约材料，降低成本。但是过大的曲柄连杆比会引起活塞侧压力增加，导致摩擦损失增大，加速活塞、活塞环、气缸套的磨损，影响其可靠性。

参照原机为直列式内燃机，查《柴油机设计手册》表，的高速机推荐，本设计选择曲柄连杆比为，已知活塞冲程，所以行程，，，取查《柴油机设计手册》表8-1，连杆主要参数比例值如表2-1所示。

R/l d/D d2/D D1/D b1/d b2/D

1l1/D

1

d M/D H/D B/H t/H

0.30 0 0.3

5

0.07

1

1.2

2

0.6

9

1.1

0.5

7

1.2

0.1

2

0.3

1

0.6

8

0.1

6 表2-1连杆主要尺寸比例

2.2.2 连杆小头设计

连杆小头与活塞销连接，承受巨大的燃气作用力，位于活塞内腔，特点是尺寸小、轴承比压高、温度高、轴承表面相对运动速度低。连杆小头的结构形式取决于活塞销的尺寸及其固定形式，一般情况下浮式活塞销应

用最广泛，连杆小头多为薄壁圆环结构，，其形状简单，重量轻，受力后应力分布比较均匀，多用于小型高速柴油机上，本次设计即采用此种结构，并用空心销固定。考虑到实际情况，在小头顶端开有油孔，是润滑油经小孔润滑活塞销和小头轴承。

实践表明，连杆小头到杆身的过渡部分是薄弱部位，该处的应力集中较大。为了缓和应力集中，可采用二段或三段圆弧过渡。

查《柴油机设计手册》，时，

（D表示气缸缸径，d表示衬套内径），，取；

（为连杆小头衬套厚度），，取小头衬套厚度；

则小头内径d+2，取；

（表示小头外径），，取；

，取小头宽度

连杆小头设计参数如表2-2所示。

参数小头内径小头外径小头宽度数值（mm）

表2-2 连杆小头主要设计参数

小头结构形式如图2-1所示。

图2-1 连杆小头形式

2.2.3 连杆衬套设计

为了耐磨，在小头孔内压入衬套，衬套材料一般有锡青铜、铅青铜等，

本次设计衬套材料采用中小型柴油机广泛应用的耐磨材料锡青铜。在设计中，应尽可能加大连杆小头衬套的承压面积以降低比压。

衬套与小头孔为过盈配合，衬套与活塞销的间隙应尽量小，以不发生咬合为原则，青铜衬套与活塞销的配合间隙，取。

衬套设计参数如表2-3所示。

参数衬套内径衬套厚度间隙量数值（mm）0.03

表2-3 衬套设计参数

2.2.4 连杆杆身设计

连杆杆身采用的是常用的“工”字形截面，当=0.300时，查《柴油机设计手册》，

，，取为

，，取为

，，取为

连杆杆身参数设计如表2-4所示。

参数 B t 数值(mm)

表2-4 连杆杆身截面设计参数

杆身截面尺寸如图2-2所示。

图2-2 连杆杆身截面尺寸

2.2.5 连杆大头设计

连杆大头与曲柄销的配合是内燃机中最重要的配合之一，通过压入轴瓦实现，而轴瓦的工作性能直接影响发动机寿命和可靠性，因此连杆大头的设计主要是保证有足够的刚度。

当0.300时查《柴油机设计手册》，

，大头宽度，取

根据原机实际情况连杆大头采平切口形式。平切口大头形式具有以下特点：①连杆易于加工，大头刚性好；②连杆螺栓不受剪切作用；③大头横向尺寸较大，曲柄销直径加大受限制；④在杆身与大头圆弧过渡区需制成螺栓头的支承面，对该处强度有影响。其在小型高速柴油机上有广泛应用。平切口大头定位形式采用螺栓定位。

平切口大头所连接的曲柄销直径可以增加到，取0.65D，

为轴瓦厚度，查《内燃机设计》，对于柴油机，，取，大头内径+2；通常轴承直径，取对于平切口连杆，连杆大头高度，取。为方便安装，大头外径根据实际情况，设计。连杆大头设计参数如表2-5所示。

参数大头宽

度曲柄销

直径

大头内

径

大头外

径

大头高度轴承直

径

数值

（mm）

表2-5 连杆大头设计参数

2.2.6 连杆螺栓设计

连杆螺栓的作用是连接连杆盖和连杆大头，由于连杆在工作中受到周期性的气体压力和横向、纵向惯性力，冲击力较大。如果连杆盖和大头松脱或者螺栓断裂将造成很严重的后果，所以要求螺栓有足够强度。

查《柴油机设计手册》， 0.300时，（螺栓直径），取；

连杆螺栓中心线应尽量靠近轴瓦，一般（为连杆螺栓孔中心距），取，取所以本次设计螺栓采用M14的螺纹螺栓，材料为优质合金钢40Cr。螺栓参数如表2-6所示。

参数螺栓直径螺栓中心线距离数值（mm）

表2-6 螺栓设计参数

2.3 连杆小头的强度计算

已知参数如表2-7所示。

参数活塞组质

量连杆小头

质量

连杆大头

质量

最大燃气

压

转速

数值（mm）

表2-7 用于连杆校核已知参数

2.3.1连杆小头承受的作用力

（1）由于温度过盈和压配衬套而产生的力

①温度过盈量

小头衬套材料为锡青铜，温度过盈量

T mm 0435.01255.43101108.1t d 551B =???-?=---）（）（αα 式中： —锡青铜衬套材料的热膨胀系数

—钢的小头材料热膨胀系数 —连杆小头的温升 一般，取 —小头内径

②压入过盈受热膨胀小头所受的径向压力P

??????????????--+++-+?+?B 221221212221221E u d d d d E u d d d d d T

?????

????????--++?+-+?+52222522221015.13.0385.43385.43102.23.05.43535.43535.430435.003.0

式中：—小头外径

—小头内径

—衬套内径

—泊桑系数

—连杆材料的抗拉弹性模数 对于钢 —青铜衬套的抗拉弹性模数 对于青铜 —衬套装配过盈量

③由P 产生的小头应力

外表面的应力：