关于柴油机连杆设计
第一章绪论
1.1 课题的意义及主要工作
1.1.1 课题的背景和意义
近百年来，柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低，在各型民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了其主导地位。新材料、新工艺、新技术的不断开发使用，为柴油机注入了新的活力，使其在动力机械，尤其在船舶动力方面依然发挥着无法替代的作用。据统计，在 2000吨以上的船
去。受油价的影响，以及一些柴舶中，柴油机作为动力的超过 95％，预计这一情况仍将持续下[]1
油机的缺点（比如烟度和噪声）被一一克服，现在在乘用车市场，柴油动力开始渐渐显示其独特魅力。
但是，由于受各种因素的影响，我国的柴油机研究还是落后于世界先进水平。经历多年的市场实践，国内柴油发动机生产企业已不再满足于凭借引进产品获得市场上的暂时领先，而认识到核心技术是最关键的，只有通过引进、消化、吸收的途径，自己掌握了核心技术，企业才会有发展后劲并获得可持续发展的条件。随着我国造船事业的进一步发展，作为船舶配套中最重要的一个环节，柴油机技术的发展瓶颈已日益凸显。因此，必须研发具有我国自主知识产权的柴油机，以提高我国船舶制造的国产率。
发动机是船舶的心脏，而发动机连杆则是承受强烈冲击力和动态应力最高的动力学负荷部件，其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力,会使连杆杆身发生形变，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作,使机械效率下降。重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。因此对其刚度和强度提出了很高的要求。
以往，连杆的的制造以铸造法和锻造法为主；20世纪80年代以来，由于采用粉末锻造法大批量生产的粉锻连杆具有力学性能优、尺寸精度高、质量较轻及质量偏差很小等特点，因而相继在发达国家快速发展，逐渐取代铸造和锻造连杆[]2。而高密度烧结法制造连杆也快速发展，并具有良好的力学性能。
1.1.2 主要工作
本课题的工作可以分为三大部分。第一部分为连杆的结构和基本尺寸的设计过程；第二部分为运用UG对所设计的连杆进行三维建模装配；第三部分为柴油机连杆的有限元分析及强度校核。
1.2 柴油机数字化建模技术
采用三维模型进行产品开发，其过程如同实际产品的构造或加工“制造”装配过程一样反映产品复杂的几何形状及相互之间的位置或装配关系，使产品开发过程更加符合开发工程师习惯和思维方式。这样，工程师可以更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示。利用三维装配模型实现动态模拟后，可以进行干涉检验，还可以观察模型中某点的运动轨迹，绘出位置速度、加速度曲线，并分析其运动特征，为相关计算提供依据，保证了产品开发的可靠性，同时有利于缩短产品的开发周期。
目前，我国船舶柴油机的研发、生产制造已具有一定的基础，具备了一批科研、开发、试验、制造等基础设施条件。表现在各研发机构和生产部门在单项上基本积累了初步的研发、制造经验，引进了一些较为先进的计算设计仿真软件。但是，由于国内研发体系起步较晚，技术深度不足，总体技术水平还是较差。
数字化设计技术是实现大型复杂装备系统快速研制的必要手段。本课题对数字化设计在船用柴油机设计中的技术进行基础性研究，并将该技术应用于某型柴油机的研发中，这对船用柴油机实现设计、制造的集成，缩短柴油机研制周期，降低研发成本，实现我国船舶工业跨越发展有着一定的推动作用。
1.3 有限元分析法在产品设计中的应用
当前，有限元分析技术在发动机零部件设计过程中发挥着越来越重要的作用，它不仅缩短了设计周期，而且也大大提高了设计精度。连杆是发动机中重要零件，也是易发生故障的零件，目前对它的设计、分析已广泛地采用有限元法[]3。
1.4 本章小结
本章主要介绍了本课题的工程研究背景和主要工作，并简单介绍了数字化建模技术和有限元分析在柴油机连杆设计校核方面的应用。
第二章连杆结构设计特点及基本加工工艺
2.1国内外研究现状及存在的问题
2.1.1 船用高速柴油机的特点及发展现状
近年来，我国船用柴油机的技术水平获得较大发展，通过技术引进，不但使我们掌握了国外柴油机先进技术，同时对我国柴油机制造工厂进行了相应的技术改造，补充和更新了一批关键工艺装备，健全了工厂的基础设施，加强了质保管理系统，相应培养了一批专业人才，积累了他们对先进柴油机的制造和试验的经验，在消化、吸收国外先进技术同时，给我国自行研制柴油机奠定了良好的基础。与此同时，在各研究设计院所、高等院校和制造企业通力合作下，我国也研制了不少新一代船用柴油机产品，通过大量研究和试制工作，也取得了不少丰硕成果。
80年代初以来，我国陆续引进了一些较先进机型的生产许可证，如 Deutz MwM604B和 234，$20， ATL25，DL22，SEMT Pielstiek PA6 和 PC2，MTU331／396等，1991年又引进了 MTU956／1163．02。其中，有的机型已投产，有的正在准备投产，这些对我国柴油机的发展起到了积极作用。在吸收国外先进技术的同时，我国对老机型作了改进提高，如 12VE230柴油机将功率从1618kW 提高到 2426kW，同时也开发了一些新机型。但总的说来，我国现有的船用柴油机主要技术指标如强载度、可靠性和燃油消耗率等与国外先进机型相比，尚存在不少差距[]1。
我国船用中高速柴油机产业发展现状是：设计、研究和生产体系初具规模，总体水平不高，关键零部件制造工艺落后，达不到高质量水平。
2.1.2 连杆设计制造的现状与特点
随着汽车、船舶等工业制造技术的发展，对于发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大发动机研制公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。
目前，碳素钢和合金钢连杆、非调质钢连杆、粉末冶金连杆、钛合金连杆等都有很广泛的应用，但在力学性能、生产成本等各个方面又各有优劣。非调质钢由于其材料的成本不高，作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步地取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求，目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料可节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗可节；但前些年由于金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。钛合金连杆可大幅度地降低连杆的质量，但金属钛的抗拉强度比较低[]2。
高强度、轻量化、低成本是发动机连杆的发展趋势，我国的发动机锻钢连杆制造技术与国外差距不大，但在连杆轻量化方面还相当落后。我国的钛合金连杆、纤维强化铝合金连杆、粉末冶金锻造连杆的研究才刚刚起步。