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发动机连杆的疲劳分析

张文强  
【摘要】:连杆是发动机的主要运动和受力部件,在工作时承受着往复的拉压交替载荷。而且汽车在行驶时的路况不同,其发动机连杆的工作载荷也会发生变化。因此连杆不仅要满足静强度要求,还要对连杆进行抗疲劳设计。连杆的受力和工况的变化,材料缺陷,表面粗糙度,加工误差等,这些都是导致连杆表面萌生裂纹的直接原因。裂纹的扩展长度与连杆的循环次数成指数关系,所以在裂纹尺寸达到一定数值时,连杆会迅速的断裂,从而导致整个发动机不能工作甚至报废。所以连杆的疲劳研究对发动机至关重要。研究连杆的失效部位,以及连杆的疲劳寿命与各种诱因之间的关系,如何提高连杆疲劳寿命等,一直以来都是连杆疲劳问题中的关键。针对以上问题,本文以汽车发动机连杆为例,建立经典的曲柄连杆的刚体动力学方程,导入不同转速下的燃气压力曲线数据,得到了活塞运动的理论速度与加速度曲线。为了研究运动柔性连杆对运动机构的影响,联合使用Recur Dyn与ANSYS软件建立了连杆的柔性体中性文件并导入到发动机的刚柔耦合系统,得到了连杆的柔性体在不同转速工况下的动应力曲线及载荷极值。在上面的基础上,对连杆进行静强度分析,利用APDL的二次开发功能,综合考虑了连杆的轴承力加载和惯性力对连杆的影响,得到了连杆比较精确的静力学解。根据静力学解,估算除了连杆危险节点的一个工作循环中的应力比,使用丁式估算方法求出了连杆材料在不同应力比下的疲劳极限。之后引入连杆表面粗糙度、硬度、应力集中等影响因子,对连杆疲劳极限进行二次修正,结合指数疲劳曲线理论绘制连杆的疲劳曲线图。联合静力学与动力学计算结果编制了汽车在匀速、循环变速、随机变速三种工况的疲劳载荷谱曲线。利用雨流计数的原理对应力谱进行统计分析,最终得到各工况下连杆的疲劳寿命。最终得到结论:发动机连杆与活塞的质量大小直接影响到发动机的功率输出,质量越大则惯性力就越大,会造成传递到曲柄上的燃气压力减小;最大压缩工况中,应力集中主要出现在连杆小头的圆角处。最大拉伸工况中,应力集中主要出现在连杆大头的内侧面;在转速达到3 0 0 0 r/m i n时连杆应力值最大且输出扭矩最大;连杆的疲劳强度都满足设计要求,但是在连杆小头倒圆角处余量较小,最容易发生疲劳破坏。各路况载荷下的疲劳寿命都满足金属无限寿命设计要求(107),在一些变化比较大的随机载荷中,应该采用非线性加载理论来降低由加载顺序带来的偏差。


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