内燃机设计--8-11连杆ppt课件

内燃机设计内燃机设计内燃机设计内燃机设计11 11 连连 杆杆 组组 件件内燃机设计11 连 杆 组 件111.11.连连 杆杆 组组 件件11.1 11.1 概述概述概述概述1、连杆组件的组成、连杆组件的组成连杆体，连杆盖，连杆螺栓，小头衬套和连杆轴瓦等。连杆体，连杆盖，连杆螺栓，小头衬套和连杆轴瓦等。2、连杆组件的作用、连杆组件的作用连杆组件作为整体连接着活塞销和曲轴销。活塞的连杆组件作为整体连接着活塞销和曲轴销。活塞的往复运动要经过连杆和曲拐变成曲轴的旋转运动。往复运动要经过连杆和曲拐变成曲轴的旋转运动。3、连杆组件的工作条件、连杆组件的工作条件连杆组件要承受缸内气体作用力和惯性力的作用。连杆组件要承受缸内气体作用力和惯性力的作用。PA和和PL与连杆自身所有微元的惯性力总和平衡。与连杆自身所有微元的惯性力总和平衡。连杆的受力情况如图，在其杆身的每一横截面上会连杆的受力情况如图，在其杆身的每一横截面上会有弯矩，剪力和法向力，不过弯矩和剪力都不大，有弯矩，剪力和法向力，不过弯矩和剪力都不大，杆身的主要载荷还是交变的拉压载荷。杆身的主要载荷还是交变的拉压载荷。11.1 概述1、连杆组件的组成11.11.连连 杆杆 组组 件件11.1 11.1 概述概述概述概述当曲拐转角为当曲拐转角为0时（进、排气上止点），时（进、排气上止点），PA和和PL均与连杆中心线重合，均与连杆中心线重合，且且PA达到其最大负值（向上），达到其最大负值（向上），PL也达到其最大负值（向下），也达到其最大负值（向下），这时连杆杆身受到最大的拉伸载荷，可以忽略此时的气体作用力而这时连杆杆身受到最大的拉伸载荷，可以忽略此时的气体作用力而近似认为：近似认为：式中式中mhz、mA、mB各为活塞组件、连杆小头和连杆大头的质量，各为活塞组件、连杆小头和连杆大头的质量，r和和各各为曲柄半径和连杆比，为曲柄半径和连杆比，是曲轴角速度。是曲轴角速度。当当PA和和PL在连杆中心线方向的分力在连杆中心线方向的分力PAx和和PLx达到各自的最大正值时，达到各自的最大正值时，连杆杆身受到最大的压缩载荷。连杆杆身受到最大的压缩载荷。11.1 概述当曲拐转角为0时（进、排气上止点），PA和P11.11.连连 杆杆 组组 件件11.1 11.1 概述概述概述概述从曲柄连杆机构动力计算所得出的从曲柄连杆机构动力计算所得出的连杆轴承载荷极坐标图可以看出，连杆轴承载荷极坐标图可以看出，PLx达到其最大正值时的曲拐转角达到其最大正值时的曲拐转角可能是压缩上止点后的可能是压缩上止点后的370左左右（柴油机以及高速汽油机的中右（柴油机以及高速汽油机的中低转速工况），也可能是膨胀下低转速工况），也可能是膨胀下止点前的止点前的530左右（高速汽油机左右（高速汽油机的某些高转速工况）。的某些高转速工况）。11.1 概述从曲柄连杆机构动力计算所得出的11.11.连连 杆杆 组组 件件11.1 11.1 概述概述概述概述连杆杆身所受到的最大压缩载荷可近似的认为是以下两组中数值较大的一组：连杆杆身所受到的最大压缩载荷可近似的认为是以下两组中数值较大的一组：或或连连杆杆的的小小头头和和大大头头各各受受方方向向和和大大小小都都在在变变化化的的分分布布力力PA和和PL的的作作用用，每每一一截截面面上上都都有有交交变变的的弯弯矩矩、法法向向力力和和剪剪力力。连连杆杆螺螺栓栓则则担担负负着着保保证证连连杆杆体体和和连连杆杆盖盖的的结结合合面面彼彼此此压压紧紧的的任任务务。在在装装配配状状态态，螺螺栓栓就就因因被被拧拧紧紧而而产产生生相相当大的拉应力。最大拉应力出现在进、排气上止点时。当大的拉应力。最大拉应力出现在进、排气上止点时。11.1 概述连杆杆身所受到的最大压缩载荷可近似的认为是以下11.11.连连 杆杆 组组 件件11.1 11.1 概述概述概述概述4、连杆组件的设计要求、连杆组件的设计要求设计连杆首先应该保证连杆体、连杆盖和连杆螺栓有足够的疲劳强度，能经受上述设计连杆首先应该保证连杆体、连杆盖和连杆螺栓有足够的疲劳强度，能经受上述交变机械载荷而不发生断裂。连杆体和连杆盖还必须有足够的刚度，以避免交变机械载荷而不发生断裂。连杆体和连杆盖还必须有足够的刚度，以避免大头的变形影响到轴承润滑与磨损，或是连杆螺栓受到附加弯矩载荷；避免大头的变形影响到轴承润滑与磨损，或是连杆螺栓受到附加弯矩载荷；避免杆身失稳弯曲使活塞在缸中歪斜，加剧磨损、漏气和窜油。为减轻曲轴和机杆身失稳弯曲使活塞在缸中歪斜，加剧磨损、漏气和窜油。为减轻曲轴和机体所承受的惯性力载荷，连杆应尽可能地轻巧，必须先用高强度材料，合理体所承受的惯性力载荷，连杆应尽可能地轻巧，必须先用高强度材料，合理设计结构形状，并采取提高强度的工艺措施。设计结构形状，并采取提高强度的工艺措施。5、连杆组件的材料、连杆组件的材料连杆螺栓必须用优质中碳合金钢制造，调质处理。连杆一般用中碳连杆螺栓必须用优质中碳合金钢制造，调质处理。连杆一般用中碳45号钢模锻，强号钢模锻，强化程度高的发动机连杆用中碳合金钢。锻钢连杆在机械加工前都要进行调质化程度高的发动机连杆用中碳合金钢。锻钢连杆在机械加工前都要进行调质处理以提高材料的处理以提高材料的b和和s。为提高连杆的疲劳极限，杆身非加工表面的粗糙。为提高连杆的疲劳极限，杆身非加工表面的粗糙度不得大于度不得大于0.1mm，通常还要进行喷丸处理。高强化发动机则采用全加工连，通常还要进行喷丸处理。高强化发动机则采用全加工连杆。连杆还必须经过磁力探伤，以确保没有裂纹。杆。连杆还必须经过磁力探伤，以确保没有裂纹。除钢材外，高强度可锻铸除钢材外，高强度可锻铸铁也可用来制造连杆。铁也可用来制造连杆。11.1 概述4、连杆组件的设计要求11.11.连连 杆杆 组组 件件11.1 11.1 概述概述概述概述连连杆杆的的危危险险部部位位通通常常是是应应力力相相对对较较大大，应应力力集集中中比比较较严严重重的的部部位位，对对这这些些部部位位的的形形状状和和尺尺寸寸设设计计要要特特别别仔仔细细，力力求求使使连连杆杆各各处处的的应应力力差差不不多，并且在疲劳极限以内。多，并且在疲劳极限以内。连连杆杆的的小小头头和和大大头头轴轴承承的的条条件件比比压压（即即折折算算到到轴轴承承单单位位投投影影面面积积上上的的载载荷荷）总总是是比比主主轴轴承承的的比比压压大大。设设计计时时必必须须使使大大、小小头头轴轴承承的的条条件件比比压水平与所用衬套或轴瓦的材料相适应。压水平与所用衬套或轴瓦的材料相适应。11.1 概述连杆的危险部位通常是应力相对较大，应力集中比较11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计11.2.1 连连杆杆的的结结构构形形式式和基本尺寸和基本尺寸连连杆杆的的基基本本结结构构尺尺寸寸是是连连杆杆大大小小头头中中心心距距（连连杆杆长长度度）l，小小头头的的轴轴承承孔孔直直径径d1和和高高度度h1，大大头头的的轴轴承承孔孔直直径径d2和和高高度度h2，连连杆杆螺螺栓栓中中心心距距C和和连连杆杆体体大大头宽度头宽度B。11.2 连杆的结构设计11.2.1 连杆的结构形式和基本尺11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计1、连杆长度、连杆长度为减小发动机的高度和重量，宜在不发生曲轴和活塞运动干涉的前提为减小发动机的高度和重量，宜在不发生曲轴和活塞运动干涉的前提下尽可能缩短连杆，现有汽车发动机的连杆长大多为曲轴半径下尽可能缩短连杆，现有汽车发动机的连杆长大多为曲轴半径r的的（3.25-3.65）倍，少数发动机因曲轴上平衡重尺寸大，）倍，少数发动机因曲轴上平衡重尺寸大，l有大有大到到3.8r的。的。2、连杆大小头高度、连杆大小头高度h2、h1及直径及直径d2、d1连杆小头高度连杆小头高度h1应与活塞上销座部分的设计协调，大头高度应与活塞上销座部分的设计协调，大头高度h2则应与则应与曲拐其它部分的纵向尺寸协调。通常是应选定曲拐其它部分的纵向尺寸协调。通常是应选定h1和和h2，再根据小，再根据小头衬套和连杆轴瓦材料的许用条件比压来确定头衬套和连杆轴瓦材料的许用条件比压来确定d1和和d2，以满足于，以满足于11.2 连杆的结构设计1、连杆长度11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计式中式中PAmax和和PLmax各为小头最大载荷和连杆轴承最大载荷，各为小头最大载荷和连杆轴承最大载荷，h1和和h2各各为小头衬套和连杆轴瓦去除倒角后的有效高度，为小头衬套和连杆轴瓦去除倒角后的有效高度，p为许用比压。为许用比压。一般汽车发动机连杆采用锡青铜衬套，一般汽车发动机连杆采用锡青铜衬套，p约为约为62MPa；高强化发；高强化发动机连杆则采用铅青铜衬套，动机连杆则采用铅青铜衬套，p约为约为85-90MPa。由上确定的由上确定的d2还要经过曲轴强度分析才能最终确定。还要经过曲轴强度分析才能最终确定。据统计，车用汽油机的据统计，车用汽油机的d1=(0.25-0.28)D,h1=(1.2-1.35)d1,d2=(0.55-0.63)D,h2=(0.4-0.65)d2；车用柴油机的车用柴油机的d1=(0.31-0.38)D,h1d1,d2=(0.63-0.7)D,h2=(0.4-0.7)d2；直列发动机连杆的直列发动机连杆的h1和和h2常相等。此处常相等。此处D为缸筒内径。为缸筒内径。11.2 连杆的结构设计式中PAmax和PLmax各为小头最11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计3、连杆大头的剖分形式、连杆大头的剖分形式连杆体和连杆盖的分界面通过大头轴承孔中心线。连杆体和连杆盖的分界面通过大头轴承孔中心线。若分界面垂直与大小头中心线所在的平面，是平切口连杆；若分界面若分界面垂直与大小头中心线所在的平面，是平切口连杆；若分界面与该平面成一斜角，就是斜切口连杆。平切口连杆的结构刚度较与该平面成一斜角，就是斜切口连杆。平切口连杆的结构刚度较好，轴承孔变形较小，制造费用较低，宜优先采用。但是当连杆好，轴承孔变形较小，制造费用较低，宜优先采用。但是当连杆轴承孔直径轴承孔直径d20.65D时，采用平切口很难做到使连杆体的最大宽时，采用平切口很难做到使连杆体的最大宽度度BD，为了保证连杆体能从缸筒中抽出来，就不得不采用斜切，为了保证连杆体能从缸筒中抽出来，就不得不采用斜切口连杆。增压柴油机因曲柄销载荷大而口连杆。增压柴油机因曲柄销载荷大而d2较大，连杆就多是斜切较大，连杆就多是斜切口的，倾斜角多为口的，倾斜角多为40-50。11.2 连杆的结构设计3、连杆大头的剖分形式11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计4、连杆体与连杆盖的连接元件及螺栓中心距、连杆体与连杆盖的连接元件及螺栓中心距绝大多数平切口连杆的连杆体和连杆盖用螺栓固紧而不用螺钉，因为绝大多数平切口连杆的连杆体和连杆盖用螺栓固紧而不用螺钉，因为用螺钉就必须在连杆体中加工出螺纹孔，而螺纹有较大应力集中，用螺钉就必须在连杆体中加工出螺纹孔，而螺纹有较大应力集中，会降低连杆的疲劳强度。斜切口连杆无法在连杆体上加工出螺栓会降低连杆的疲劳强度。斜切口连杆无法在连杆体上加工出螺栓头支承平台，所以不得不采用螺钉固紧连杆盖。头支承平台，所以不得不采用螺钉固紧连杆盖。螺栓（螺钉）的中心距螺栓（螺钉）的中心距C要尽可能小些，平切口连杆的要尽可能小些，平切口连杆的C大多在大多在（1.25-1.31）d2之间，斜切口连杆的之间，斜切口连杆的C有大到有大到1.38d2的。实际的。实际上往往是以螺栓（螺钉）孔边到连杆轴承底孔的最小距离不小于上往往是以螺栓（螺钉）孔边到连杆轴承底孔的最小距离不小于1mm为限。为限。11.2 连杆的结构设计4、连杆体与连杆盖的连接元件及螺栓中11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计5、连杆体与连杆盖的定位、连杆体与连杆盖的定位为了保证连杆体和连杆盖不因装拆而错位，轴承孔不因装拆而失圆，连杆盖为了保证连杆体和连杆盖不因装拆而错位，轴承孔不因装拆而失圆，连杆盖在横向和纵向上都必须对连杆体定位。在横向和纵向上都必须对连杆体定位。平切口连杆大头剖分面上的横向剪切力较小，平切口连杆大头剖分面上的横向剪切力较小，通常就用连杆螺栓上的定位带双向定位。通常就用连杆螺栓上的定位带双向定位。斜切口连杆大头剖分面上有较大的剪切力，为避免使连杆斜切口连杆大头剖分面上有较大的剪切力，为避免使连杆螺钉增加负担，必须采取其它横向定位措施。螺钉增加负担，必须采取其它横向定位措施。图图11-5中给出了两种常用的定位方式：中给出了两种常用的定位方式：（a）为横向锯齿定位，纵向用螺钉的定位带定位；）为横向锯齿定位，纵向用螺钉的定位带定位；（b）为横向用舌槽定位，纵向用小销钉定位。）为横向用舌槽定位，纵向用小销钉定位。11.2 连杆的结构设计5、连杆体与连杆盖的定位11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计11.2.2 连杆螺栓（螺钉）的设计与计算连杆螺栓（螺钉）的设计与计算图图 11-6中中 画画 出出 了了 连连 杆杆 螺螺 栓栓 和和 连连 杆杆 大大 头头 被被 螺螺 栓栓 压压 紧紧 部部 分分 的的 内内 力力 与与 变形的情况。变形的情况。在在装装配配状状态态，连连杆杆螺螺栓栓被被拧拧紧紧而而发发生生拉拉伸伸变变形形bo，则则螺螺栓栓的的预预紧紧力力（内内力力）为为 ，kb为为螺螺栓栓的的抗抗拉拉刚刚度度，。在在将将螺螺栓栓拧拧紧紧到到 Pbo的的过过程程中中，先先是是把把轴轴瓦瓦对对孔孔座座的的凸凸出出量量压压平平，然然后后才才压压缩缩连连杆杆体体和和连连杆杆盖盖（轴轴瓦瓦也也一一起起压压缩缩）。假假设设螺螺栓栓紧紧到到PWo时时轴轴瓦瓦被被压压平平，则则 就就是是连连杆杆体体和和连连杆杆盖盖结结合合面面在在装装配配状状态态的的压压紧紧力力（含含轴轴瓦瓦对对接接面面压压紧紧力力增增量量PWo），而而对对应应的的压压缩缩变变形形量量为为 ，此此处处kc是是连连杆杆大大头头被被压压紧紧部部分分（含含轴轴瓦瓦）的抗压刚度，的抗压刚度，。11.2 连杆的结构设计11.2.2 连杆螺栓（螺钉）的设计11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计 在工作状态，当连杆大头受到指在工作状态，当连杆大头受到指向连杆盖的向连杆盖的PL的作用时，每的作用时，每一连杆螺栓上加了一个外力一连杆螺栓上加了一个外力Pl。可近似的认为最大的外。可近似的认为最大的外力是：力是：式中式中是连杆大头剖分面对连杆大、是连杆大头剖分面对连杆大、小头中心线所在平面的倾斜小头中心线所在平面的倾斜角，角，i是连杆螺栓数目，是连杆螺栓数目，mj是是曲柄连杆机构往复运动质量，曲柄连杆机构往复运动质量，mB是连杆大头质量。是连杆大头质量。11.2 连杆的结构设计 在工作状态，当连杆大头受到指向连杆11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计当当每每一一连连杆杆螺螺栓栓受受最最大大外外力力Plmax时时，螺螺栓栓截截面面的的拉拉力力并并不不等等于于（Pbo+Plmax），因因为为在在螺螺栓栓受受外外力力而而拉拉伸伸变变形形量量增增大大了了max的的同同时时，连连杆杆大大头头被被压压紧紧部部分分的的变变形形量量减减小小了了max，连连杆杆体体与与连连杆杆盖盖结结合合面面的压紧力从的压紧力从Pco降到降到Pcmin，所以这时螺栓截面上的拉力为：，所以这时螺栓截面上的拉力为：此此处处叫叫做做“螺螺栓栓的的基基本本载载荷荷系系数数”，Plmax是是螺螺栓栓内内力力的的增增幅幅。上上式式表表明工作时螺栓内力的最大增量只是所受最大外力明工作时螺栓内力的最大增量只是所受最大外力Plmax的一部分。的一部分。11.2 连杆的结构设计当每一连杆螺栓受最大外力Plmax时11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计此式表明，要减小螺栓应力的变化幅度，提高其疲劳强度，宜采用较大的此式表明，要减小螺栓应力的变化幅度，提高其疲劳强度，宜采用较大的 刚度比刚度比k kc c/k/kb b来减小来减小。这就是说，宜用柔度较大的连接件（螺栓）去压。这就是说，宜用柔度较大的连接件（螺栓）去压紧刚度较大的被连接件（连杆大头）。这一螺栓连接的基本设计原则紧刚度较大的被连接件（连杆大头）。这一螺栓连接的基本设计原则对于主轴承螺栓和气缸盖螺栓对于主轴承螺栓和气缸盖螺栓 也是同样适用的。实际发动机也是同样适用的。实际发动机 连杆的连杆的k kc c/k/kb b多在多在4-54-5之间，即之间，即 在在0.2-0.250.2-0.25之间者居多。之间者居多。柔性螺栓（螺钉）设计原则柔性螺栓（螺钉）设计原则:螺栓螺栓 杆部直径杆部直径d d通常略小于螺纹根通常略小于螺纹根 部直径，并以杆部截面积不部直径，并以杆部截面积不 小于螺纹根部截面积的小于螺纹根部截面积的80%80%为为 下限，只有螺栓下限，只有螺栓(螺钉螺钉)定位定位 带的直径带的直径d d0 0略大于螺纹外径略大于螺纹外径d ds s。11.2 连杆的结构设计此式表明，要减小螺栓应力的变化幅度，11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计为减轻应力集中，螺栓（螺钉）的各个截面变化处均应有适当的为减轻应力集中，螺栓（螺钉）的各个截面变化处均应有适当的过渡圆角，圆角半径过渡圆角，圆角半径不不小于小于0.2d0；螺钉的头几道螺纹顶端；螺钉的头几道螺纹顶端可以切除一切。如图可以切除一切。如图11-7中做成锥面中做成锥面A，以利于各螺牙分担拉，以利于各螺牙分担拉力。为保证拧紧螺母时螺栓不跟着转，螺栓头部常铣出一个力。为保证拧紧螺母时螺栓不跟着转，螺栓头部常铣出一个平面（图平面（图11-7中），此时宜将其对称的一面也铣去，以避免中），此时宜将其对称的一面也铣去，以避免因支承力与螺栓中心线不重合而产生附加弯曲载荷。因支承力与螺栓中心线不重合而产生附加弯曲载荷。螺栓（螺钉）头部通常是镦锻出来的，使材料的宏观纤维方向与螺栓（螺钉）头部通常是镦锻出来的，使材料的宏观纤维方向与外形一致；螺纹在切削出后还要进行光整滚压；这些都有助外形一致；螺纹在切削出后还要进行光整滚压；这些都有助于提高连杆螺栓的疲劳极限。于提高连杆螺栓的疲劳极限。11.2 连杆的结构设计为减轻应力集中，螺栓（螺钉）的各个截11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计为保证连杆体和连杆盖的结合面不分开为保证连杆体和连杆盖的结合面不分开(P(Pcmincmin0 0），应取螺栓预紧力），应取螺栓预紧力实实际际上上考考虑虑到到连连杆杆大大头头的的变变形形，超超速速的的可可能能性性，以以及及需需要要结结合合面面上上的的摩摩擦擦力力来来防防止止连连杆杆体体和和连连杆杆盖盖错错位位等等等等因因素素，Pbo一一般般都都取取得得较较大大，即取为即取为式式中中Pwo取取自自轴轴承承计计算算结结果果。初初步步设设计计时时连连杆杆螺螺栓栓的的d ds s可可参参考考现现有有同同类类型发动机连杆的数据给出，然后进行强度验算。型发动机连杆的数据给出，然后进行强度验算。11.2 连杆的结构设计为保证连杆体和连杆盖的结合面不分开(11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计螺螺栓栓预预紧紧力力对对螺螺栓栓的的工工作作可可靠靠性性有有很很大大影影响响，装装配配时时应应严严加加控控制制。以以前前常常用用的的办办法法是是通通过过控控制制预预紧紧力力矩矩来来间间接接控控制制螺螺栓栓预预紧紧力力，近近年年来来开开始始推推广广一一种种新新方方法法，即即先先用用扭扭力力扳扳手手把把螺螺栓栓紧紧到到一一个个较较小小的的扭扭矩矩，使使连连杆杆体体和和连连杆杆盖盖结结合合面面密密合合达达到到约约0.20.2倍倍的的预预紧紧力力，然然后后分分两两次次将将螺螺母母转转过过一一定定角角度度，使使螺螺栓栓产产生生一一个个确确定定的的变变形形增增量量，相相应应的的预预紧紧力力增增量量也也就就是是确确定定了了的的。这种方法称为扭矩转角法。这种方法称为扭矩转角法。连连杆杆螺螺栓栓（以以及及主主轴轴承承螺螺栓栓和和缸缸盖盖螺螺栓栓）通通常常用用细细牙牙紧紧配配合合螺螺纹纹，无无需需采采用用辅辅助锁紧装置（如锁片助锁紧装置（如锁片.开口销等）。开口销等）。11.2 连杆的结构设计螺栓预紧力对螺栓的工作可靠性有很大影11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计11.2.3 连杆连杆体和连杆盖体和连杆盖11.2.3.1 连杆小头连杆小头现代汽车发动机连杆小头一般采用薄壁圆环形结构，小头孔内压配耐现代汽车发动机连杆小头一般采用薄壁圆环形结构，小头孔内压配耐磨衬套。小头顶上常留有附加的工艺凸台作为粗加工基准，或作磨衬套。小头顶上常留有附加的工艺凸台作为粗加工基准，或作为调整连杆质量的去重处。为调整连杆质量的去重处。二冲程柴油机和增压四冲程柴油机的连杆，由于其小头下半部分承受二冲程柴油机和增压四冲程柴油机的连杆，由于其小头下半部分承受的载荷大而承载时间又长，常将小头做成楔型。的载荷大而承载时间又长，常将小头做成楔型。小头衬套的常用材料有铸造锡青铜和铸造铅青铜，以及由冷轧青铜带小头衬套的常用材料有铸造锡青铜和铸造铅青铜，以及由冷轧青铜带或钢背或钢背-青铜双金属卷成的薄壁衬套。薄壁衬套的厚度可以小到青铜双金属卷成的薄壁衬套。薄壁衬套的厚度可以小到0.75mm，而铸造青铜衬套的厚度为，而铸造青铜衬套的厚度为2-3mm。11.2 连杆的结构设计11.2.3 连杆体和连杆盖11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计外表面不加工的连杆，其小头外表面的最大直径为衬套孔径的外表面不加工的连杆，其小头外表面的最大直径为衬套孔径的1.35-1.45倍。倍。连连杆杆小小头头中中应应力力较较大大的的截截面面，小小头头至至杆杆身身的的过过渡渡圆圆角角处处要要采采用用较较大大的的过过渡渡圆圆角角半半径径，有有的的连连杆杆甚甚至至用用正正反反两两个个圆圆弧弧过过渡渡。有有的的连连杆杆小小头头外外圆圆相相对对于于内孔中心向上下偏心。内孔中心向上下偏心。11.2 连杆的结构设计外表面不加工的连杆，其小头外表面的最11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计除高强化柴油机外，连杆小头大多不用压力润滑（即由连杆轴承经杆除高强化柴油机外，连杆小头大多不用压力润滑（即由连杆轴承经杆身中的油孔供油），而只在小头上半部开油孔接受飞溅润滑。油身中的油孔供油），而只在小头上半部开油孔接受飞溅润滑。油孔最好开在与连杆中心线成孔最好开在与连杆中心线成45斜角的位置上，避免在应力大的截斜角的位置上，避免在应力大的截面上再加上应力集中。面上再加上应力集中。11.2.3.2 连杆连杆杆身杆身连杆杆身一般都采用便于模锻或铸造的工字形截面。截面的宽度由小连杆杆身一般都采用便于模锻或铸造的工字形截面。截面的宽度由小头到大头逐渐加大，并以大圆弧向大、小头过渡，其高度和中间头到大头逐渐加大，并以大圆弧向大、小头过渡，其高度和中间筋厚在接近小头和大头处也都逐渐加大，这样可使杆身等强度并筋厚在接近小头和大头处也都逐渐加大，这样可使杆身等强度并提高大、小头的刚度。杆身中间截面的宽度提高大、小头的刚度。杆身中间截面的宽度Br=（0.90-1.05）d1，Br/Hr=1.5-1.8。11.2 连杆的结构设计除高强化柴油机外，连杆小头大多不用压11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计11.2.3.3 连杆连杆大头大头连杆大头容易出现裂纹的部位在螺栓头和螺母支承平面的根部，此处连杆大连杆大头容易出现裂纹的部位在螺栓头和螺母支承平面的根部，此处连杆大头断面应有足够的厚度、光滑的不小于头断面应有足够的厚度、光滑的不小于1mm1mm的过渡圆角或把根部做成凹形的过渡圆角或把根部做成凹形圆角。对斜切口连杆，还应注意螺纹孔，因螺孔正好在应力集中较严重圆角。对斜切口连杆，还应注意螺纹孔，因螺孔正好在应力集中较严重的区域穿过，所以最好两个螺孔都做成盲孔，并周围要有足够的厚度。的区域穿过，所以最好两个螺孔都做成盲孔，并周围要有足够的厚度。11.2 连杆的结构设计11.2.3.3 连杆大头11.11.连连 杆杆 组组 件件11.2 11.2 连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆的结构设计连杆大头的变形是在垂直于连杆中心线的方向向内收缩。同时连杆盖在连杆连杆大头的变形是在垂直于连杆中心线的方向向内收缩。同时连杆盖在连杆中心线方向向外扩。此变形不利于形成承载油膜，还可能破坏轴瓦在大中心线方向向外扩。此变形不利于形成承载油膜，还可能破坏轴瓦在大头孔中的配合，引起轴瓦和连杆大头配合面的磨蚀，还会因变形使螺栓头孔中的配合，引起轴瓦和连杆大头配合面的磨蚀，还会因变形使螺栓受到附加弯曲载荷，因此设计时尽可能提高刚度，减小大头的变形，使受到附加弯曲载荷，因此设计时尽可能提高刚度，减小大头的变形，使连杆大头下半部的壁厚要适当加厚，并设置加强筋。连杆大头下半部的壁厚要适当加厚，并设置加强筋。(a)和和(b)适用于连杆盖和连杆体一起模锻。适用于连杆盖和连杆体一起模锻。(c)则适用于连杆盖单独模锻。连则适用于连杆盖单独模锻。连杆盖上还常有调整大小头质量的去重块。杆盖上还常有调整大小头质量的去重块。设计连杆螺栓时连杆大头设计连杆螺栓时连杆大头被螺栓（螺钉）压紧部分被螺栓（螺钉）压紧部分的刚度应尽可能大一些，的刚度应尽可能大一些，螺孔周围应布置较多的螺孔周围应布置较多的金属。金属。11.2 连杆的结构设计连杆大头的变形是在垂直于连杆中心线的11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算方法有简单解析方法和有限元素法。用简单解连杆的应力和变形的计算方法有简单解析方法和有限元素法。用简单解析方法时要对连杆的受力情况和几何形状都进行较大简化，因此所析方法时要对连杆的受力情况和几何形状都进行较大简化，因此所得应力和变形很不精确，但其计算工作量较小。在初步设计阶段可得应力和变形很不精确，但其计算工作量较小。在初步设计阶段可以使用简单解析方法。而对连杆某一关键的细部尺寸进行优选，或以使用简单解析方法。而对连杆某一关键的细部尺寸进行优选，或对连杆整体进行优化设计时必须采用有限元法计算其应力和变形。对连杆整体进行优化设计时必须采用有限元法计算其应力和变形。11.3.1 连杆的连杆的简化解析计算法简化解析计算法11.3.1.1 连杆小头的应力与变形连杆小头的应力与变形连杆小头的应力由两部分组成，一是压入衬套所引起的装配应力，连杆小头的应力由两部分组成，一是压入衬套所引起的装配应力，这部分应力是不变的这部分应力是不变的;二是发动机运行中由小头载荷二是发动机运行中由小头载荷PA引起引起的应力（小头自身惯性力的作用忽略不计），的应力（小头自身惯性力的作用忽略不计），PA引起的应力引起的应力是交变的，而且不同点的应力不一定同时达到最大和最小值。是交变的，而且不同点的应力不一定同时达到最大和最小值。11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算方法有11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算此算法假定小头上每一点的最大应力和最小应力都同时出现。因此可此算法假定小头上每一点的最大应力和最小应力都同时出现。因此可算出连杆最大拉伸和最大压缩两种受力状况下的小头各点应力，算出连杆最大拉伸和最大压缩两种受力状况下的小头各点应力，再与装配应力叠加，得出各点的再与装配应力叠加，得出各点的max和和min，对危险点计算疲劳安，对危险点计算疲劳安全系数。全系数。连杆最大拉伸状况下的小头应力连杆最大拉伸状况下的小头应力把连杆小头（不包括衬套）看成是两端固定于杆身过渡圆角处的等截面曲梁，把连杆小头（不包括衬套）看成是两端固定于杆身过渡圆角处的等截面曲梁，其曲率半径其曲率半径rm取为小头轴承孔半径取为小头轴承孔半径r2和小头外圆半径和小头外圆半径r0的均值，即的均值，即曲梁的固定角曲梁的固定角为为:式中式中Bmin是过渡圆弧是过渡圆弧与杆身相切处的杆身宽度。与杆身相切处的杆身宽度。11.3 连杆的应力和变形的计算此算法假定小头上每一点的最大11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆受最大拉伸时，其小头载荷是连杆受最大拉伸时，其小头载荷是PA1（PA(0)）。假定此）。假定此PA1在小头上半部在小头上半部180范围内均布，则用这样的模型可得出其中间对称截面范围内均布，则用这样的模型可得出其中间对称截面00上的弯矩上的弯矩M0和法向力和法向力N0为：为：在在00与与11截面之间任意一个位置截面之间任意一个位置角角处的处的截面弯矩和法向力为：截面弯矩和法向力为：在在11与与22截面之间的截面弯矩和法向力则为：截面之间的截面弯矩和法向力则为：11.3 连杆的应力和变形的计算连杆受最大拉伸时，其小头载荷11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆小头孔内的耐磨衬套是过盈配合的，可认为它与小头孔的变形相同，但因连杆小头孔内的耐磨衬套是过盈配合的，可认为它与小头孔的变形相同，但因衬套壁厚较薄，弹性模量也比钢的数值小，因而可忽略衬套所承担的弯矩，衬套壁厚较薄，弹性模量也比钢的数值小，因而可忽略衬套所承担的弯矩，而只是认为它分担了部分法向力。而只是认为它分担了部分法向力。这样，去掉衬套的连杆小头内、外表面的应力就是：这样，去掉衬套的连杆小头内、外表面的应力就是：外表面外表面内表面内表面式中式中h1为连杆小头高度，衬套的法向载荷分担系数为连杆小头高度，衬套的法向载荷分担系数E和和E各是连杆材料和衬套材料的弹性模量，各是连杆材料和衬套材料的弹性模量，F和和F各是连杆小头和衬套的截各是连杆小头和衬套的截面积，面积，s和和各是小头底孔壁厚和衬套壁厚，各是小头底孔壁厚和衬套壁厚，F=h1s，F=h1。11.3 连杆的应力和变形的计算连杆小头孔内的耐磨衬套是过盈11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算小头应力分布如图，图中所小头应力分布如图，图中所示为两种固定角（示为两种固定角（21）情况下小头内、外应力的情况下小头内、外应力的分布。可看出，当固定角分布。可看出，当固定角增大时，应力变化梯度和增大时，应力变化梯度和峰值应力都增加。因此，峰值应力都增加。因此，强化连杆小头的有效结构强化连杆小头的有效结构措施就是减小固定角措施就是减小固定角。11.3 连杆的应力和变形的计算小头应力分布如图，图中所11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算对于刚度较小的连杆小头，以上计算结果误差较小。当小头刚度较大时，则宜对于刚度较小的连杆小头，以上计算结果误差较小。当小头刚度较大时，则宜假设假设PA1为在为在180范围内成余弦分布。在中央范围内成余弦分布。在中央00截面上的弯矩及法向力截面上的弯矩及法向力为：为：在在00与与11之间任意一个位置角之间任意一个位置角处的截面弯矩和法向力为：处的截面弯矩和法向力为：在在11与与22之间任意一个位置角之间任意一个位置角处的截面弯矩和法向力为：处的截面弯矩和法向力为：11.3 连杆的应力和变形的计算对于刚度较小的连杆小头，以上11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆小头孔内、外表面的应力计算仍用式（连杆小头孔内、外表面的应力计算仍用式（1116）。）。连杆最大压缩状况下的小头应力连杆最大压缩状况下的小头应力连杆最大压缩状况下小头载荷为连杆最大压缩状况下小头载荷为PA2（PAx()）。假设）。假设PA2在连杆小头下在连杆小头下半部半部180范围内成余弦分布，可借范围内成余弦分布，可借助图助图1119来求得来求得M0和和N0的相对数的相对数值值M0/PA2rm和和N0/PA2，从而进一步，从而进一步求出求出M0和和N0。11.3 连杆的应力和变形的计算连杆小头孔内、外表面的应力计11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算在在00和和11截面之间任意位置角截面之间任意位置角处的截面弯矩和法向力为：处的截面弯矩和法向力为：在在11和和22截面之间任意位置角截面之间任意位置角处的截面弯矩和法向应力为：处的截面弯矩和法向应力为：连杆小头孔壁内、外表面受压时的应力仍可用式（连杆小头孔壁内、外表面受压时的应力仍可用式（1116）计算，分别记为）计算，分别记为2,o（外表面）和（外表面）和2,i（内表面）。（内表面）。11.3 连杆的应力和变形的计算在00和11截面之间任意11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆小头的装配应力连杆小头的装配应力连连杆杆小小头头衬衬套套以以一一定定的的过过盈盈0压压入入小小头头孔孔内内，使使小小头头孔孔壁壁产产生生一一定定的的拉拉应应力力。发发动动机机工工作作时时连连杆杆小小头头温温度度要要升升高高t（约约为为100150C），而而衬衬套套的的膨膨胀胀系系数数大大于于连连杆杆体体的的膨膨胀胀系系数数，这这里里相相当当于于过过盈盈又又增增加加t。此此时时连连杆杆小小头衬套总的过盈量为：头衬套总的过盈量为：式中式中di为衬套与小头配合孔径的名义尺寸。为衬套与小头配合孔径的名义尺寸。由此过盈量由此过盈量在小头底孔内表面产生的径向均布压力为在小头底孔内表面产生的径向均布压力为式式中中d1和和d0各各为为小小头头衬衬套套内内孔孔及及小小头头外外圆圆的的直直径径，和和各各为为连连杆杆体体和和衬衬套套材材料料的的泊桑比。泊桑比。11.3 连杆的应力和变形的计算连杆小头的装配应力11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算相应地在连杆小头底孔内、外表面产生的应力为：相应地在连杆小头底孔内、外表面产生的应力为：外表面：外表面：内表面：内表面：连杆小头的疲劳安全系数连杆小头的疲劳安全系数通过以上分析可见固定角通过以上分析可见固定角处的截面是连杆小头的最危险的截面。大多数情况处的截面是连杆小头的最危险的截面。大多数情况下，该处外表面的最大拉应力和应力变化幅值最大，其内表面处也可能有下，该处外表面的最大拉应力和应力变化幅值最大，其内表面处也可能有较大的应力变化。同时验算内、外表面疲劳安全系数。危险点的极限应力较大的应力变化。同时验算内、外表面疲劳安全系数。危险点的极限应力为：为：外表面外表面内表面内表面11.3 连杆的应力和变形的计算相应地在连杆小头底孔内、外表11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算最后计算疲劳强度安全，式中的表面质量影响系数最后计算疲劳强度安全，式中的表面质量影响系数可取可取0.4，应力集中影响系，应力集中影响系数数K=1。连杆小头的疲劳安全系数连杆小头的疲劳安全系数n不宜小于不宜小于1.5。也可以直接与同类型发动机可靠连杆。也可以直接与同类型发动机可靠连杆已知的小头危险点的已知的小头危险点的max或或n作比较后，作出判断。作比较后，作出判断。以上小头应力和疲劳安全系数的计算，只计算最大功率工况，或比最大功率工以上小头应力和疲劳安全系数的计算，只计算最大功率工况，或比最大功率工况超速况超速10%的工况。的工况。连杆小头的变形连杆小头的变形当连杆在最高转速工况受最大拉伸时，连杆的小头孔在横向的直径收缩量最大。当连杆在最高转速工况受最大拉伸时，连杆的小头孔在横向的直径收缩量最大。据经验公式，小头孔内径的减小量为：据经验公式，小头孔内径的减小量为：式中式中dm为小头的平均直径，为小头的平均直径，J为小头断面的惯性矩，为小头断面的惯性矩，J=h1(s+)3/1211.3 连杆的应力和变形的计算最后计算疲劳强度安全，式中的11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算为了使连杆小头变形后在衬套与活塞销之间仍保留有某些间隙，算出的为了使连杆小头变形后在衬套与活塞销之间仍保留有某些间隙，算出的d1应应不大于活塞销与小头衬套初始配合间隙的二分之一。不大于活塞销与小头衬套初始配合间隙的二分之一。11.3.1.2 杆身的应力杆身的应力当连杆受到最大拉伸或最大压缩时，杆身任一当连杆受到最大拉伸或最大压缩时，杆身任一I-I截面上的内应力等于小头所受外载与该截面截面上的内应力等于小头所受外载与该截面以上连杆质量惯性力之和。若把以上连杆质量惯性力之和。若把I-I截面以上的截面以上的连杆分为几段，则每段的惯性力包括往复惯性连杆分为几段，则每段的惯性力包括往复惯性力和绕小头摆动的离心力两部分。据此可算出力和绕小头摆动的离心力两部分。据此可算出由连杆小头的载荷和上述惯性力共同作用产生由连杆小头的载荷和上述惯性力共同作用产生的的I-I截面的最大拉应力和最大压应力，而最大截面的最大拉应力和最大压应力，而最大压应力还要考虑在压缩载荷下出现的连杆纵向压应力还要考虑在压缩载荷下出现的连杆纵向弯曲的附加应力，所以要算出合成最大压应力。弯曲的附加应力，所以要算出合成最大压应力。11.3 连杆的应力和变形的计算 为了使连杆小头变形后在衬套11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算通常对连杆杆身要取两个截面计算最大和最小应力，其中一个是靠近小头的通常对连杆杆身要取两个截面计算最大和最小应力，其中一个是靠近小头的截面截面1-1，另一个是向大头的过渡圆弧开始处的截面，另一个是向大头的过渡圆弧开始处的截面2-2。计算工况也是两。计算工况也是两个，一个是最大功率工况，一个是最大扭矩工况。最后，对于危险工况个，一个是最大功率工况，一个是最大扭矩工况。最后，对于危险工况下的危险截面用常规方法计算疲劳安全系数。一般要求下的危险截面用常规方法计算疲劳安全系数。一般要求n=1.5-2.5。11.3.1.3 连杆大头的应力与变形连杆大头的应力与变形连杆大头的形状很复杂，对它也象对连杆小头一样看成是两端固定的等矩形连杆大头的形状很复杂，对它也象对连杆小头一样看成是两端固定的等矩形截面环状曲梁，其平均半径是截面环状曲梁，其平均半径是C/2,这显然是对实际情况的极大简化。此这显然是对实际情况的极大简化。此外，对于此曲梁的载荷也作了相当的简化。当连杆受最大拉伸载荷时，外，对于此曲梁的载荷也作了相当的简化。当连杆受最大拉伸载荷时，在简化为曲梁的那部分连杆大头上，除了由连杆轴承载荷在简化为曲梁的那部分连杆大头上，除了由连杆轴承载荷PL外，还有大外，还有大头自身的分布惯性力，而对连杆大头作简单计算时，假定曲梁受一个成头自身的分布惯性力，而对连杆大头作简单计算时，假定曲梁受一个成余弦分布的力余弦分布的力PL1的作用。在大头下半部的作用。在大头下半部180范围内作用于曲梁，与实际范围内作用于曲梁，与实际的分布惯性力也不同。的分布惯性力也不同。11.3 连杆的应力和变形的计算通常对连杆杆身要取两个截面计11.11.连连 杆杆 组组 件件11.3 11.3 连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算连杆的应力和变形的计算正是由于几何形状上和受力情况上都作了正是由于几何形状上和受力情况上都作了较多的简化，使连杆大头应力的计算较多的简化，使连杆大头应力的计算结果与实际相差较远。故通常只用此结果与实际相差较远。故通常只用此方法算一下连杆盖中间截面方法算一下连杆盖中间截面O-OO-O的应力，的应力，再与其它连杆的数据进行比较。再与其它连杆的数据进行比较。在在P PL1L1的作用下连杆大头孔在垂直于连杆中的作用下连杆大头孔在垂直于连杆中心线方向的直径收缩量为：心线方向的直径收缩量为：此变形量不应超过连杆轴承与曲柄销初始此变形量不应超过连杆轴承与曲柄销初始配合间隙的一半。配合间隙的一半。11.3 连杆的应力和变形的计算正是由于几何形状上和受力情况