某型单缸柴油机连杆的有限元校核与改进设计.doc

1、 摘 要连杆工作的可靠性问题一直是人们在柴油机研究和改进过程中关注的热点问题，具有足够强度的连杆对现代柴油机设计有着举足轻重的作用。本设计按照给定的设计参数，参照相关的参考文献要求，以Pro/ENGINEER5.0为建模工具，以Pro/MECHANICA为分析平台，对柴油机连杆强度进行分析，对柴油机连杆在实际工作过程中所受到的最大爆发压力和最大拉力进行研究。通过分析计算，确定了连杆在两种工况下的应力应变分布，并进行了强度校核和改进设计，改进后的连杆强度能够满足发动机在各种工况下运行要求。关键词：连杆；强度；有限元；分析；改进ABSTRACTThe reliability of the conn

2、ecting rod has been long concerned during the process of diesel engine research and improvement. The intensity is the core element for modern diesel engine design. The provided design, whose modeling tools is based on Pro/ENGINEER5.0, analysis platform on Pro/MECHANICA, is in accordance with the giv

3、en parameters and references, and shows the analysis on the connecting rod intensity and researches on the maximum bursting pressure and pull when the connecting rod of the diesel engine is in operation. Through analysis and calculation, stress-strain distribution of the connection rod has been conf

4、irmed, intensity check and improvement have also been undertaken. Intensity of the improved connecting rod could meet various demands of an engine functioning in different circumstances. Keywords: connecting rod, intensity, finite element analysis, improvement. 目 录（三号，黑体，居中）设计说明书或论文中所有英文字体为Times New

5、 Roman摘要（宋体，小四号，加粗）宋体,五号,加粗ABSTRACT（Times New Roman，小四号，加粗）第一章 绪论（宋体，小四号，加粗）11.1 工程XXX1 1.1.1 XXX1 1.1.2 XXX2宋体,五号1.2 XXX3 1.2.1 XXX3 1.2.26第二章 正文章标题（宋体，小四号，加粗）92.1 工程XXX9 2.1.1 XXX10 2.1.2 XXX102.2 工程XXX9 2.2.1 XXX10 2.2.2 XXX10第6章 结论526.1 XXX52参考文献（宋体，小四号，加粗）54致谢（宋体，小四号，加粗）59附录A：XXX（宋体，小四号，加粗）60附录

6、B：XXX66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1893年2月23日，世界上第一台柴油发动机问世至今，柴油机进过了一百多年的发展，已经成为一种用途极为广的动力机械。与普通汽油机相比较，柴油机可以节约用油达到15到30；同时，它也具有良好的环保性能，能够满足我国严格的排放法规的要求。单就温室效应气体排放量而言，如果考虑到原油的加工、燃料的运输、使用等所有的环节，柴油机的温室效应气体的排放量可以降低45。经过技术的不断发展，现代柴油机已经完全改变了过去的噪音大，污染严重等形象，它不仅具有高效、经济、有益环保及面向未来的特点，同时在高速性能、加速性能、操纵性能、乘

7、坐舒适性和噪音方面已经完全可以与现代汽油机相匹敌。柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低等优点，并且受到油价的影响，现在在乘用车市场，柴油机开始渐渐显示出其独特魅力。但是由于受到各种因素的影响，我国的柴油机研究生产仍然落后于世界先进水平。经过这些年的市场实践，我们已经认识到了核心技术是我国柴油机发展的最关键的因素，我们的柴油机生产企业只有通过引进、消化、吸收的途径，自己掌握核心技术，并不断的改进创新，研发出具有我国自主知识产权的柴油机，企业才会有发展的后劲，我国的柴油机才会得到不断的发展与进步，缩小与世界水平的差距。连杆是柴油机传递动力的最重要零件之一，它由连杆体、连杆盖、连接螺栓等组成连杆组。

8、连杆组的作用是把活塞和曲轴连接起来，将作用在活塞上的燃气爆发压力传递给曲轴，将活塞的往复直线运动变成为曲轴的回转运动，达到输出功率的目的，因此，连杆的加工精度、强度和刚度直接影响到了柴油机的性能。随着汽车等一些工业制造技术的发展，他们对于柴油机的动力性能和可靠性的要求是越来越高，而连杆的强度和刚度对于提高柴油机的动力性能和可靠性又是至关重要的，因此,目前国内外各大柴油机研发公司对于柴油机连杆的材料以及制造技术的研究都是非常重视的。在柴油机工作过程中，连杆的工作条件恶劣，它主要承受着三方面的作用力：1.气缸内的燃气压力；2.活塞连杆组的往复运动力；3.连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。以上所说的

9、三种作用力的大小和方向，都会随着曲轴转角的的变化而不断变化，他们综合起来使连杆处于一种交变的复杂受力状态。因为连杆为一细长的杆件，当受到压缩或者受到横向惯性力的作用时，如果连杆杆身的刚度不足，则会使连杆产生弯曲变形；如果在垂直与摆动平面之内发生弯曲变形，其危害则会更大，这将会使轴承扭曲，造成轴承的不均匀磨损，最终导致损坏。因此，要求连杆的质量轻并且具有足够的刚度和强度。杆身具有足够刚度，可以预防其工作时发生弯曲变形。连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，可以防止大端变形之后是连杆的连接螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆使轴承润滑早到破坏。同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性，否则连杆螺栓、杆

10、身或者大端盖容易发生疲劳断裂，造成重大的事故。提高连杆的强度和刚度，绝对不能单单从加大截面尺寸来入手，因为加大尺寸之后，连杆的惯性力势必会增大，增大连杆的受力，使连杆的工作条件变的恶化，同时会使曲轴和曲轴轴承所承受的载荷增大，最终会带来一系列不良的后果。因此提高连杆的强度和刚度必须从连杆的结果型式的设计、材料的选用和制造工艺等方面采取相应的措施，以达到连杆具有较轻的质量并且具有足够的刚度和强度的要求。1.1.2 主要工作本次设计的主要工作可以分成三大部分：第一部分为根据现有的连杆零件图纸完成连杆的三维实体造型，并进行三维建模装配；第二部分为用计算机辅助软件对连杆进行有限元应力分析，并根据应力分

11、析的结果，对原设计进行改进设计；第三部分为按照改进过后的尺寸对连杆实体造型进行修改，并进行有限元校核，完成连杆零件图的改进设计。1.1.3 本章小结本章的主要内容主要是为了连杆的建模与分析做铺垫，对连杆的结构特点进行了简要的分析，并简要的介绍了有限单元法的原理和应用。第二章 软件的选用及有限元简介2.1 软件的选用目前，三维CAD/CAM技术在产品的设计、分析、制造和工程数据管理领域已经引起广泛的关注和重视，Pro/E，UG等主流三维CAD/CAM软件在各个企业都得到了大量的应用。在众多的三维CAD/CAM软件中，美国参数技术公司（Parametric Technology Corporati

12、on，简称PTC）的Pro/E是国内最普遍的软件之一。Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E为美国参数技术公司的重要产品。它是一款集CAD/CAM/CAE功能于一体的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着十分重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E软件以其强大的单一数据库体系结构为基础，基于特征建模、参数化、全相关单一数据库等主要特点，为产品提供了从设计、装配、制造、分析、数据管理、二次开发等一系列完整的解决方案，是目前最优秀的机械设计自动化软件之

13、一，其功能强大的三维产品设计系统已经在自动化、机械、汽车、电子电器、模具、医疗器械、航空航天等众多恒业和部门得到了广泛的应用。曾经引发了机械设计自动化领域的革命性变化，是目前最优秀的、最具有名气的机械设计自动化软件之一。Pro/MECHANICA是Pro/Engineer中常用的模块，它是一款实用的设计软件，设计人员可以利用它更好地了解产品的性能，并相应地调整数字化设计，工程部门通过这款软件可及早看清产品的特性、改善检验和认证过程，减低成本、提高产品质量，从而实现对工程进度和预算的控制。Pro/MECHANICA的三种工作模式：1. FEM(Finite Element Modeling)模式

14、FEM模式没有求解器，能够完成对模型的网格划分、边界约束、载荷、理想化等前置处理，随后需要使用第三方软件进行求解，如NASTRAN、ANSYS等。在为安装Pro/MECHANICA的环境下，FEM模式同样可用。2. 集成模式（Integrated mode)集成模式运行与Pro/ENGINEER平台之上，操作界面与Pro/ENGINEER相同，能够直接实用Pro/ENGINEER的参数进行分析及优化。 在Pro/ENGINEER环境中点击下拉式菜单“应用程序”Mechanica即可进入集成模式。3. 独立模式（Independent Mode)独立模式不需要Pro/ENGINEER平台的支持，

15、能够独立运行，可导入第三方软件的模型，功能要比集成模式稍强，但与Pro/ENGINEER的集成性不佳，其操作及界面更接近UNIX环境，较不容易掌握。本次设计首先使用Pro/Engineer5.0建立连杆的实体几何模型，然后使用Pro/MECHANICA为分析平台对连杆模型进行应力应变有限元分析，为连杆可靠性提供设计依据。2.2 有限单元法简介随着计算机技术在各方面应用的深入，工程问题的分析发生了根本的变化。人们在吸收现代数学、力学理论的基础上，借助计算机技术来获得满足工程需要的数值解，这就是数值模拟技术。有限单元法,又称为有限元法、有限元素法，它是随着计算机技术的发展而发展起来的一种有效的数值

16、模拟计算方法。它首次应用于工程结构在20世纪50年代中期，最初的用途主要是用来对结构进行矩阵分析。自从1900年克劳夫首次将这种方法称作为有限单元法，它便成为了工程技术界的统一术语。它是一种是用范围广泛的、有效的的结构分析方法，它可对任意一种复杂的结构作工程分析，得出结构的应力和位移的近似值，以此参照来考虑这种结构的强度和刚度。 作为目前工程技术领域内最常用的数值模拟方法，因其实用性强、处理方法灵活等特点而在工程领域里被广泛应用。有限单元法的做法是，首先将一个物体划分成由小的物体或单元（有限元）组成的等价系统，这些单元通常由两个或更多的节点相互连接，或与边界或表面相互连接，这个过程叫做离散化。

17、然后建立每一个有限单元的方程，应用适当的过程，将这些方程集合成一组方程，最后求解联立代数方程组，可得到整个物体的解答。有限单元法虽然源于结构分析，但是现在已经被广泛的应用于各种工程和工业领域，已经成为解决数学物理方程的一种普遍方法。到目前为止，有限单元法在固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域都得到了广泛的应用。它能够求解由杆、梁、板、壳、块体等各种单元组成的弹性、黏性和弹塑性的问题，各类场（流体场、电磁场、温度场等）的分布问题，水流管路、电路、润滑、噪声和固体、流体、温度的相互作用问题。有限单元法同时在零部件设计的过程中也发挥着越来越重要的作用，它不仅缩短了设计周期，而

18、且大大提高了设计的精度。因此，在连杆的设计与分析中，已经广泛的使用了有限单元法。由于有限单元法的众多优点和有限单元计算软件的快速发展，有限单元法已经被公认为应力分析最有效的工具而受到普遍的重视和广泛应用。第三章 连杆三维模型的建立3.1 基本设计参数 柴油机为四冲程，卧式，水冷，自然吸气，直喷式燃烧室；柴油机最高转速2400r/min，最大功率：5.8 kW; 柴油机最大爆发压强; 柴油机气缸直径85mm;活塞与活塞销的质量：750g。连杆零件图如图3-1所示。图3-1 连杆零件图3.2连杆三维模型的建立首先建立准确、可靠的的计算模型，是应用有限单元法进行分析的重要步骤之一。在进行有限单元分析

19、时，应尽量按照实物来建立有限单元分析模型，但是对结构较为复杂的物体，完全按照实物结构来建立计算模型、进行有限单元分析时有时会变得非常困难，甚至是不可能的，因此可以进行适当的简化。按照连杆的设计图纸（如图2-1），本设计用Pro/ENGINEER对连杆杆身和连杆盖进行建模，为了保证装配图的直观性，同时对连杆螺栓、螺母的三维实体进行建模，并进行了装配。由于不考虑温度对分析结果的影响，其材料系数可以取常数，连杆和连杆盖的材料均为40号钢。一般来说，因为模型带来的误差要比有限单元计算方法本身的误差大的多，所以，结构有限单元计算的准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。为了较准确的计算出连杆的应力情况

20、，本设计的连杆模型只对连杆大头做了简化，在连杆大头处，连杆内的轴瓦槽的结构在有限单元分析时对分析结果并无太大的影响，因此在建模中省去此处。3.2.1 连杆体三维模型的建立1.运行Pro/Engineer5.0，新建一个模型文件，选择“类型”为“零件”，“子类型”为“实体”，选中“使用缺省模板”。2.使用【拉伸工具】创建连杆体外形，如图3-2所示。图3-2 连杆体外形3.使用【拉伸工具】中的【移除材料】，创建连杆体中连杆小头的销孔、连杆大头的销孔和螺栓孔，如图3-3所示。图3-3 连杆中孔的创建4.使用【拉伸工具】中的【移除材料】，建立连杆体的“工”字槽，“工”字槽深度为7mm，如图3-4所示。

21、图3-4 连杆体的“工”字槽5.使用【拔模工具】建立连杆体的拔模特征，如图3-5所示.图3-5 连杆体的拔模特征6.使用【倒角工具】，对连杆体中的连杆小端的销孔及外侧圆柱、连杆大端销孔及外侧圆柱和螺栓孔建立边倒角，边倒角为1.51.5的45角，如图3-6所示。 （1） （2）图3-6 孔的边倒角特征7.使用【倒圆角工具】，对“工”字槽建立倒圆角，底部为R3圆角，上部为R2圆角，如图3-7所示。图3-7 “工”字槽的倒圆角特征8.使用【倒圆角工具】，对连杆体中有形状突变的边建立倒圆角，零件图中规定部位圆角为R10，其余部位根据连杆结构在R1R4中选择，如图3-8所示。 （1） （2） （3）图3

22、-8 连杆体的倒圆角特征最终所建立的连杆体三维实体模型如图3-9所示。图3-9 连杆体三维实体模型3.2.2 连杆盖三维模型的建立1.运行Pro/Engineer5.0，新建一个模型文件，选择“类型”为“零件”，“子类型”为“实体”，选中“使用缺省模板”。2. 使用【拉伸工具】创建连杆盖外形，如图3-10所示。图3-10 连杆盖外形3. 使用【拉伸工具】中的【移除材料】，建立连杆盖中的销孔和螺栓孔，如图3-11所示。图3-11 连杆盖轴孔和螺栓孔4.使用【拔模工具】建立连杆盖的拔模特征，如图3-12所示.图3-12 连杆盖的拔模特征5.使用【倒角工具】，对连杆盖中的销孔及其外部圆柱和螺栓孔建立

23、边倒角，边倒角为1.51.5的45角，如图3-13所示。图3-13 连杆盖的倒角特征6.使用【倒圆角工具】，对连杆盖中有形状突变的边建立倒圆角，根据连杆盖尺寸选择圆角半径，连杆盖三维建模完成，如图3-14所示。图3-14 连杆盖的倒圆角特征 最终所建立的连杆体三维实体模型如图3-15所示。图3-15 连杆盖的三维实体模型3.2.3 连杆螺栓三维模型的建立根据连杆零件的尺寸要求，选取的螺栓为六角头螺栓（GB/T 57822000），螺纹规格为M10，参照机械设计课程设计手册查表得出相应的螺栓尺寸，并以此为依据创建连杆螺栓的三维实体模型。1.运行Pro/Engineer5.0，新建一个模型文件，选

24、择“类型”为“零件”，“子类型”为“实体”，选中“使用缺省模板”。2.使用【拉伸工具】创建连杆螺栓的外形，如图3-16所示。图3-16 连杆螺栓外形3.使用【旋转工具】创建螺栓头部特征，如图3-17所示。图3-17 螺栓头部特征4.选择【螺旋扫描】【切口】创建螺栓的螺纹，如图3-18所示。图3-18 螺纹的创建最终所创建的连杆螺栓的三维实体模型如图3-19所示。图3-19 连杆螺栓的三维实体模型3.2.4 连杆螺母三维模型的建立根据连杆螺栓的尺寸要求，选取的螺母为I型六角螺母（GB/T 61702000），螺纹规格为M10，参照机械设计课程设计手册查表得出相应的螺母尺寸，并以此为依据创建连杆螺

25、母的三维实体模型。1.运行Pro/Engineer5.0，新建一个模型文件，选择“类型”为“零件”，“子类型”为“实体”，选中“使用缺省模板”。2.使用【拉伸工具】创建连杆螺母的外形，如图3-20所示。图3-20 连杆螺母外形3.使用【拉伸工具】创建连杆螺母的中心孔，如图3-21所示。图3-21 连杆螺母中心孔的建立4.使用【旋转工具】创建螺母的外部特征，如图3-22所示。图3-22 连杆螺母的外部特征5.选择【螺旋扫描】【切口】创建螺母的螺纹特征，如图3-23所示。图3-23 连杆螺母的螺纹特征最终所创建的连杆螺母的三维实体模型如图3-24所示。图3-24 连杆螺母的三维实体模型3.2.5

26、连杆三维模型的装配图1.运行Pro/Engineer5.0，新建一个模型文件，选择“类型”为“组件”，“子类型”为“设计”，选中“使用缺省模板”。2.使用【装配工具】将连杆体和连杆盖添加到组件中，并将两个部件装配，如图3-25所示。图3-25 连杆体与连杆盖的装配3.使用【装配工具】将连杆螺栓添加到组件中，并将连杆和螺栓装配，如图3-26所示。图3-26 连杆螺栓的装配4.使用【装配工具】将连螺母栓添加到组件中，并将连杆和螺母、螺栓装配，如图3-27所示。图3-27 连杆螺母的装配最终所建立的连杆的三维装配图模型如图2-28所示。图3-28 连杆的三维装配模型第四章 连杆的有限单元分析4.1

27、基本参数1.设计说明书所给参数：柴油机最高转速2400r/min，最大功率：5.8 kW; 柴油机最大爆发压强; 柴油机气缸直径85mm;连杆长度为170mm；活塞与活塞销的质量：750g2.连杆材料的确定：本次设计中，连杆和连杆盖的材料均选用各同向性的线弹性材料40Cr，弹性模量为，泊松比为0.3.屈服强度为335MPa，抗拉强度为570MPa，密度为,并且弹性模量和泊松比都不随温度的变化而变化。4.2 连杆的受力分析4.2.1 曲柄连杆机构的运动规律曲柄连杆机构是将活塞的直线往复运动转变为曲轴的回转运动，发动机中一般采用的机构有两种类类型：一类是偏心曲柄连杆机构，另一类是中心曲柄连杆机构。

28、本次设计研究的是中心曲柄连杆机构的运动。如图4-1为中心曲柄连杆机构的运动分析简图。图中，A为活塞，OB为曲柄，AB为连杆，为曲柄转角，为连杆摆角。OB=R为曲柄半径；AB=L为连杆长度；为连杆比 ，它是发动机中的一个重要结构参数，其范围一般在1/31/5之间。运动时，活塞做往复运动，曲柄OB以等角速度 旋转，当时，对应活塞在上止点的位置；当时，对应活塞在下止点的位置。连杆的作用是把活塞和曲轴连接起来，并将作用在活塞上的燃气爆发压力传递给曲轴，将活塞的往复直线运动变成为曲轴的回转运动，达到输出功率的目的。本次设计的主要目的是研究连杆所在工作过程中，所受到的最大压力和最大拉力时是否满足连杆的强度

29、和刚度要求，所以只分析连杆在受最大压力和最大拉力两种工况的受力。图4-1 曲柄连杆机构的运动分析简图4.2.1 连杆的最大压缩力连杆所受到的最大压缩力出现在膨胀冲程开始的上止点附近，其值为柴油机的最大爆发压力减去活塞连杆组本身的惯性力。其中小头内孔的受力面为下端的180范围内，大头内孔所受的约束力面为大头内孔上端的180范围内。受压时连杆受力效果示意图如图4-2所示。图4-2 连杆受压示意图经分析得，当活塞运动到上止点附近，活塞连杆组的惯性力远小于柴油机的最大爆发压力，为了简化计算，在此忽略活塞连杆组的惯性力，只计算柴油机的最大爆发压力。根据公式 （4-1）式中，为柴油机的最大爆发压力，为最大

30、爆发压强，S为气缸的截面积，d为气缸直径。得出最大爆发压力为 4.2.2 连杆的最大拉伸力 连杆所受到的最大拉伸力出现在进气冲程开始的上止点附近，其值为柴油机活塞和活塞销的惯性力（活塞与气缸套的摩擦力较小，可以忽略）。其中连杆小头内孔受力面为上端180范围内，大头内孔所受的约束力面为大头内孔下端的180范围内。受拉时连杆受力效果示意图如图4-3所示。图4-3 连杆受拉示意图此处，连杆所受到的最大拉伸力及为柴油机活塞和活塞销的惯性力，为求惯性力，必须算出活塞和活塞销的加速度。根据公式 （4-2）式中，为活塞和活塞销的加速度，R为曲柄半径，为曲柄的角速度，为曲柄转角，为连杆比，L为连杆长度。活塞和

31、活塞销的加速度为 根据公式 （4-3）式中，F为活塞和活塞销的惯性力及连杆所受到的最大拉伸力，m为活塞与活塞销的质量。得出最大拉伸力为 4.3 连杆的有限元分析4.3.1 网格的划分由于忽略了模型中的螺栓螺母，并且将连杆体和连杆盖合为一体，因此，只对连杆盖和连杆体进行四面体网格划分，自定义部分单元格的最大尺寸为9mm。共划分出网格19793个元素，6341个节点。完成后的模型如图4-4所示。图4-4 网格划分图4.3.2 有限元分析时模型的改进由于本次设计只对连杆和连杆盖的强度进行分析，并且在实际工作过程中，在螺栓较大的预紧力的约束之下，连杆体和连杆盖在整个分析的过程中均处于接触状态，因此，在

32、此处对模型进行了简化，将连杆体和连杆盖在建模分析中合为一体，这样处理并不影响最终的分析结果，同时省去连杆螺栓和螺母。需要说明的是由于软件的限制，在添加约束的时候无法选择连杆大头内半圆的面进行约束，系统会自动对整个圆面进行约束，因此，在曲轴销孔内两端人为添加了两个浅槽，这样在添加约束的时候就能够选择半圆面添加，这样处理对连杆受压的分析没有影响，但是连杆在受拉分析时，因为浅槽的原因会产生应力和应变的集中，经过分析对比，此处的应力和应变集中对连杆其他部位的应力和应变的分布影响不大，因此在分析时对浅槽处的应力和应变的集中忽略不计，这样对分析结果并无影响。4.3.3 连杆的受压工况分析对连杆压应力的分析

33、，只考虑连杆受到最大爆发压力工况时的应力情况，若此处连杆的压应力和受压变形均满足连杆的强度要求和刚度要求，则连杆在整个工作过程中都会满足要求。连杆所受到的最大压缩力出现在膨胀冲程开始的上止点附近，在进行有限元分析时，对连杆大头内曲轴销孔的上表面进行约束，只保留其绕曲轴旋转方向的一个自由度。按照之前所述的受力分析，在连杆小头内活塞销孔的下表面添加大小为62420N方向沿连杆中心线指向大端的承载载荷，经分析之后得出连杆的应力图（如图4-5所示）和应变图（如图4-6所示）。图4-5 连杆压应力图图4-6 连杆压应变图由压应力图分析可得，连杆的最大受压工况下的最大压应力出现在连杆小头一端的“工”字槽内

34、侧。连杆小头销孔内侧、连杆杆身与连杆小头相连的两侧倒角部位以及连杆大头一端的“工”字槽内侧，这些部位的压应力也较大。连杆的最大压应力为339.2M大于连杆所选择材料的屈服强度335MPa，在工作过程中容易疲劳断裂，柴油机的寿命因此变短，连杆断裂后也会造成重大事故，因此以上这些部位需要改进设计。由最大压应变图分析可得，连杆的最大压应变出现在连杆小头内活塞销孔的底部，最大压应变为mm。4.3.4 连杆的受拉工况分析对连杆拉应力的分析，只考虑连杆受到拉力工况时的应力情况，若此处连杆的压拉应力和受拉变形均满足连杆的强度要求和刚度要求，则连杆在整个工作过程中都会满足要求。连杆所受到的最大拉伸力出现在进气

35、冲程开始的上止点附近，在进行有限元分析时，对连杆大头内曲轴销孔的下表面进行约束，只保留其绕曲轴旋转方向的一个自由度。按照之前所述的受力分析，在连杆小头内活塞销孔的上表面添加大小为2696N方向沿连杆中心线由连杆大端指向小端的承载载荷，经分析之后得出连杆的应力图（如图4-7所示）和应变图（如图4-8所示）。图4-6 连杆拉应力图图4-6 连杆拉应变图由于浅槽的原因，在浅槽的附近出现了应力和应变的集中，按照之前4.3.2节的叙述，在此忽略了浅槽附近的最大拉应力345.7MPa和最大拉应变mm，再使用分析图中动态查询工具查处最大应力和最大应变的大概位置，然后放大该区域，使窗口中只显示该区域，使用视图

36、最大数值工具查处具体数值。由拉应力图分析可得，连杆的最大拉应力出现在连杆小头销孔内两侧，杆身、连杆大头与杆身过渡处也具有一定的拉应力，拉伸工况的最大拉应力为30.25MPa，远小于材料的抗拉强度570MPa。因此在拉伸工况连杆满足强度要求。由最大拉应变图分析可得，连杆的最大拉应变出现在连杆小头内活塞销孔的两侧，最大拉应变为mm。4.3 分析结论 由应力分布图可以看出，连杆小头周围是应力集中最严重的地方，所以在设计连杆的时候，小头销孔要有足够的壁厚，同时连杆小头与杆身的过渡处也容易出现应力集中，因此还要注意连杆小头与杆身之间过渡处的圆滑性。第五章 连杆的改进分析5.1 连杆的改进由上一章的分析结

37、果可以得出，连杆在受压工况和受压工况中，连杆小头周围是应力集中最严重的地方，所以改进从以下两个方面入手：1.连杆小头销孔的壁厚增大，这样可以减小小头销孔所受的应力，同时可以减小此处的应变，使连杆在受压或者受拉时的变形减小，提高柴油机的性能。2.在连杆尺寸允许的范围之内，增大连杆小头与杆身之间的过渡圆角，增加了其圆滑性，减少此处的应力集中，增大连杆的强度。根据以上两个方面，对连杆的尺寸进行相应的优化改进。改进之后连杆的零件图如图5-1所示。图5-1 连杆改进零件图5.2 改进后连杆的三维立体模型 根据改进后的连杆零件图建立连杆的三维立体模型，同时，在对连杆有形状突变部位的倒圆角的角度在连杆尺寸允

38、许的范围之内适当的增大：连杆“工”字槽的倒圆角，底部为R5，上部为R3，其余部位根据连杆结构在R1R5中选择。增大其圆滑性，从而减小连杆的应力集中。改进后连杆体的三维立体模型如图5-2所示。图5-2 改进后连杆体三维模型改进后连杆盖的三维立体模型如图5-3所示。图5-3 改进后连杆盖三维模型改进后连杆的三维装配模型如图5-4所示。图5-4 改进后连杆三维装配模型5.3 改进后连杆的有限单元分析改进后连杆的有限元分析和第四章的分析方法一样，同样在此处对模型进行了简化，将连杆体和连杆盖在建模分析中合为一体，这样处理并不影响最终的分析结果，同时省去连杆螺栓和螺母。5.3.1 网格的划分在此处同样只对

39、连杆盖和连杆体进行四面体网格划分，自定义部分单元格的最大尺寸为9mm。共划分出网格13244个元素，4099个节点。完成后的模型如图5-5所示。图5-5 网格划分图5.3.2 连杆的受压工况分析添加与第四章连杆受压分析相同的载荷与约束。经分析之后得出连杆的应力图（如图5-6所示）和应变图（如图5-7所示）。图5-6 连杆压缩应力图图5-7 连杆压缩应变图由压应力图分析可得，改进后连杆压应力分布情况同改进之前大体相同，连杆的最大受压工况下的最大压应力出现在连杆小头一端的“工”字槽内侧。连杆小头销孔内侧、连杆杆身与连杆小头相连的两侧倒角部位以及连杆大头一端的“工”字槽内侧，这些部位也具有一定的压应

40、力。但是，连杆的最大压应力为明显比改进之前有所下降，最大压应力为258.5MPa，小于材料的屈服强度335MPa，满足强度要求。由最大压应变图分析可得，连杆的最大压应变出现在连杆小头内活塞销孔的底部，最大压应变为mm。5.3.3 连杆的受拉工况分析添加与第四章连杆受拉分析相同的载荷与约束。经分析之后得出连杆的应力图（如图5-8所示）和应变图（如图5-9所示）。图5-8 连杆拉伸应力图图5-9 连杆拉伸应变图同样由于浅槽的原因，在浅槽的附近出现了应力和应变的集中，在此忽略了浅槽附近的最大拉应力664.3MPa和最大拉应变mm，选用相同的方法查处最大应力和最大应变的分布和数值。由拉应力图分析可得，

41、改进后连杆拉应力分布情况同改进之前有所不同，连杆的最大拉应力出现在连杆大头与杆身两侧过渡处，拉伸工况的最大拉应力为25.06MPa，并且远小于材料的抗拉强度570MPa。同时在连杆小头销孔两侧应力降低为20.15MPa，与改进之前相比有所降低。连杆上过渡处依然存在一定的应力集中，但是与之前相比都有所下降，因此在拉伸工况连杆满足强度要求。由最大拉应变图分析可得，改进后应变分布情况也所有不同，连杆的最大拉应变出现在连杆大头与杆身两侧过渡处，最大拉应变为mm。连杆小头销孔两侧的应变降为mm，与之前相比也有所下降。5.4 分析结论 经过改进后和改进前相比较，连杆在压缩工况和压缩工况的最大应力和最大应变

42、都有所降低，说明按照分析思路改进是可行的，优化了连杆的尺寸和结构。第六章 设计总结本次毕业设计已经接近尾声，经过这三个多月的毕业设计，从拿到设计任务书到现在设计任务的完成，在这之间我遇到的很多的问题，也收获到了很多。本次设计所研究的项目为柴油机连杆的分析与改进。在之前的学习中，虽然我已经对柴油机的构造和工作原理有了一定的认识和了解，但是也仅仅是对柴油机整体的认识，从未对连杆这个零件做详细的学习和研究，这个是我遇到的第一个问题，连杆在柴油机的工作过程中具体起什么作用，它的强度和刚度对柴油机的性能有什么样的影响？通过查阅相关的资料，我了解到连杆是一个非常典型的零件，对于柴油机来说连杆的加工精度、强

43、度和刚度直接影响到了柴油机的性能，它是柴油机传递动力的最重要零件之一，它的作用是把活塞和曲轴连接起来，将作用在活塞上的燃气爆发压力传递给曲轴，将活塞的往复直线运动变成为曲轴的回转运动，达到输出功率的目的。正是因为连杆有如此的重要性，所以对其研究的意义已经不止是关于连杆的性能和寿命，同时对发动机得性能也有很大的影响。本次设计同时需要对连杆零件进行三维建模和有限单元分析。三维建模是我以前从未接触过的，有限单元分析也仅仅是有一些简单的了解，这是我遇到的第二个问题。因此，对于软件的学习也是本次设计的一项重要工作。本次三维建模软件选用的是Pro/Engineer，有限单元分析软件选用的是Pro/Engi

44、neer中的分析模块Pro/MECHANICA。在软件的学习和操作过程中遇到了很多困难，但是通过自己的不断的学习和老师的指导，这些困难都被一一克服了。最终，在自己的努力和老师的指导之下，顺利的完成了对连杆零件的三维建模，对连杆的有限元分析，并根据分析结果改进优化了连杆的结构和尺寸。也使我通过这次的毕业设计多掌握了一种专业软件的应用，多掌握了一种零件设计改进的思路，我相信这些对我以后的学习和工作中一定会有很大帮助。由于时间和自身能力的限制，在本次设计中难免会出现一些错误和不足，我会继续努力，从这次设计中吸取经验和教训，不断的提高自己。参 考 文 献1 苏 奥林.克鲁戈罗夫.内燃机活塞式及复合式发

45、动机的构造设计及强度计算. 北京：机械工业出版社，19892 周龙保.内燃机学.北京：机械工业出版社，20023 吴健华.汽车发动机原理.北京：机械工业出版社，2010.54 王霄.Pro/Engineer Wildfire3.0高级设计实例教程.北京：化学工业出版社，2010.55 胡仁喜.Pro/ENGINEER Wildfire3.0中文版机械设计高级应用实例.北京：机械工业出版社，2007.36 林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版零件设计应用实例.北京：电子工业出版社，2007.77 祝凌云.Pro/ENGINEER 运动仿真与有限单元分析.北京：人民邮电出版社，2004.38 陈敏 刘晓旭.AutoCAD2007机械设计绘图应用教程.重庆：重庆大学出版社，2008.29 夏正权，陈修光.柴油机连杆的机械加工.北京：中国铁道出版社，1980. 致 谢经过这么长时间的努力，毕业设计工作已经基本完成。即将毕业的我回首大学这四年，突然有很多话要说。首先，我要感谢我的父母，是你们抚养我长大成人，是你们给我上了人生的第一堂课，让我在面对任何事情的时候，都要有一种坚持不懈的精神；让我在面对任何困难的时候，都要努力