連桿課程設(shè)計(jì)說明書

1、連桿課程設(shè)計(jì)說明書院別： 能源與動力工程學(xué)院 專業(yè)： 熱能與動力工程 班 級： 新能源1002 姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：潘劍鋒 2014年 1月前 言 隨著生活水平的提高，人們?yōu)榱顺鲂蟹奖?，汽車的性能要求也越來越高。而提高發(fā)動機(jī)性能，一方面可以降低噪音，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)效率；另一方面也可以節(jié)約能源，有利于環(huán)保。連桿作為發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動的主要部件，它把作用于活塞頂面的膨脹的壓力傳遞給曲軸，又受曲軸的驅(qū)動而帶動活塞壓縮氣缸中的氣體，連桿在工作過程中始終承受著劇烈的動載荷作用。這就對其性能有極高的要求。而連桿的強(qiáng)度與任性也是決定發(fā)動機(jī)性能的因素之一。 為了保證連桿的疲勞強(qiáng)度， 要求連桿的材料要具有良好的綜合力

2、學(xué)性能及工藝性能。以往連桿材料幾乎普遍采用碳素調(diào)質(zhì)鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼，20世紀(jì)70年代由于石油危機(jī)，為節(jié)省能源，歐美 和日本開始大量應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼，并取得很大的進(jìn)展。隨著汽車工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，對于汽車發(fā)動機(jī)的動力性能及可靠性要求越來越高，而連桿的強(qiáng)度、剛度對提高發(fā)動機(jī)的動力性及可靠性至關(guān)重要，因此國內(nèi)外各大汽車公司對發(fā)動機(jī)連桿用材料及制造技術(shù)的研究都非常 重視。 在滿足性能指標(biāo)的前提下， 連桿的材料和制造技術(shù)關(guān)聯(lián)很大，非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用就是考慮節(jié)省調(diào)質(zhì)工序。近年來，采取裂解連桿體和連桿蓋分界面技術(shù)可以大幅度地減少機(jī)械加工工序，由此開發(fā)了高強(qiáng)度低韌性的高碳非調(diào)質(zhì)鋼和粉末冶金鍛件，以滿足工藝的需要。 目

3、錄前言2設(shè)計(jì)任務(wù)4一、連桿概況41、連桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)42、工作工作環(huán)境53、連桿設(shè)計(jì)要求5二、三維建模61、二維圖紙62、UG三維建模模型6三、基于ANSYS對連桿有限元分析71、材料性能參數(shù)確定：72、導(dǎo)入連桿三維模型73、設(shè)置單元屬性84、網(wǎng)格劃分95、設(shè)置載荷和約束96、求解及結(jié)論分析101）位移變化圖102）應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果圖11四、課程設(shè)計(jì)總結(jié)：12五、參考文獻(xiàn)13設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè) 計(jì) 任 務(wù)1、分析連桿工作環(huán)境，性能要求以及材料等；2、根據(jù)圖紙進(jìn)行三維實(shí)體建模；3、對模型進(jìn)行有限元分析；4、根據(jù)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度分析。一、連桿概況1、連桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 連桿的作用是傳遞活塞與曲軸間的作用力,并將

4、活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,連桿應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度和剛度。 發(fā)動機(jī)連桿為模鍛件，由連桿小頭、桿身和連桿大頭三部分組成。連桿大頭是分開的，一半為連桿蓋，另一半與桿身為一體，通過連桿螺栓連接起來。連桿大頭孔內(nèi)分別裝有軸瓦。由于連桿體與連桿蓋的結(jié)合面是與大、小頭孔中心連線傾斜，故稱為斜剖式連桿。連桿小頭裝有青銅襯套，通過活塞銷與活塞連接。連桿大頭是可分開式，內(nèi)裝半圓形軸瓦，大頭與曲軸連桿軸連。 （1）連桿小頭  連桿小頭與活塞銷連接呈浮式結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)工作時(shí)活塞銷與連桿小頭可以相對自由轉(zhuǎn)動，因此沿銷的長度方向和圓周方向的磨損比較均勻。為提高摩擦副的耐磨性，

5、連桿小頭內(nèi)孔壓入青銅襯套。青銅襯套分為兩段，分別從小頭的兩端壓入。小頭的頂上有一個(gè)集油孔，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，激濺起來的機(jī)油甩到活塞內(nèi)腔的頂部，冷卻活塞后，落下一部分通過集油孔聚集并流入連桿的小頭內(nèi)孔潤滑活塞銷。 （2）桿身  發(fā)動機(jī)為了在最小質(zhì)量時(shí)最大的強(qiáng)度和剛度，連桿桿身斷面加工成“工”字形。 （3）連桿大頭  連桿通過大頭與曲軸上的連桿軸頸相連，連桿大頭為分形式，采用簡單的平口結(jié)構(gòu)形式。連桿大頭軸承蓋固定螺母為自鎖型螺母，其擰緊力為100120N.M2、工作工作環(huán)境連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力

6、。因此，連桿在一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。它既受交變的拉壓應(yīng)力、又受彎曲應(yīng)力。連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能;又要求具有足夠的鋼性和韌性。所以傳統(tǒng)連桿加工工藝中其材料一般采用45鋼、40Cr或40MnB等調(diào)質(zhì)鋼，硬度更高。3、連桿設(shè)計(jì)要求連桿主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先保證連桿具有在足夠的疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)鋼度。如果強(qiáng)度不足，就會發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴(yán)重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作帶來不好的影響。所以設(shè)計(jì)連桿的一個(gè)

7、主要要求是在盡可能輕巧的結(jié)構(gòu)下保證足夠的剛度和強(qiáng)度。為此，必須選用高強(qiáng)度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。二、三維建模1、二維圖紙：對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，了解每一部分所表達(dá)的形狀。2、UG三維建模模型利用UG NX 7.0對連桿進(jìn)行三維實(shí)體建模，最終結(jié)果如下所示三、基于ANSYS對連桿有限元分析1、材料性能參數(shù)確定：選用材料：40Cr彈性模量：2.11E+11泊松比：0.2772、導(dǎo)入連桿三維模型在ANSYS中選擇導(dǎo)入LIANGAN.prt圖片，命令如下Utility Menu ：File >Import >NX效果圖如下3、設(shè)置單元屬性單元類型：材料屬性：4、網(wǎng)格劃分點(diǎn)擊Meshing

8、子菜單中的MeshTool，在彈出的對話框中，再點(diǎn)擊Mesh,然后選中之前導(dǎo)入的模型，點(diǎn)OK，創(chuàng)建網(wǎng)格完成，效果如圖5、設(shè)置載荷和約束載荷設(shè)置：點(diǎn)出Solution的下拉菜單：DefineLoadsApplyStructuralPressureOnAreas,選中小孔內(nèi)圓朝內(nèi)的一半，點(diǎn)OK,在彈出的對話框內(nèi)填寫1000，點(diǎn)OK。約束設(shè)置：點(diǎn)出Solution的下拉菜單：Define LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，選中大孔內(nèi)圓，點(diǎn)OK，在彈出的對話框中選中ALL DOF,點(diǎn)OK。設(shè)置結(jié)果如6、求解及結(jié)論分析1）位移

9、變化圖從位移圖可看出，當(dāng)小頭受到力的作用的時(shí)候，會產(chǎn)生變形，距離施加力位置近的變形嚴(yán)重，而在大頭位置距離較遠(yuǎn)，受到的影響較小，變形不明顯。2）應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果圖由于幾何形狀對稱性，受力對稱，故應(yīng)力圖呈對稱分布。桿身中部應(yīng)力大于兩個(gè)圓頭，小圓頭外側(cè)與連桿圓角過渡處（紅色部分）應(yīng)力集中。由圖可知，在紅色區(qū)域?yàn)槭芰ψ畲蟮奈恢?，也是變形最?yán)重的位置。分析結(jié)論： 由應(yīng)力應(yīng)變及位移變化可知，當(dāng)連桿在靜止不動，小頭施加力的時(shí)候，會造成連桿變形，整個(gè)連桿結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在小頭孔的承載區(qū)范圍內(nèi),其他部位受力情況較均勻，因?yàn)檫B桿是對稱結(jié)構(gòu)，力施加在對稱線上，所以其形變與應(yīng)力應(yīng)變也是對稱的。這與實(shí)際情況是相吻合的。但

10、是，因?yàn)檫B桿正常的工作環(huán)境不可能靜止不動，也不可能只有小頭受力，所以在實(shí)際的過程中,由于小孔是承載區(qū),它的變形相對較大。大孔遠(yuǎn)離承載區(qū),受影響較弱。綜合上述分析有限元模型的建立、分析結(jié)果是客觀的、較為真實(shí)地反映了汽車連桿的受力情況四、課程設(shè)計(jì)總結(jié)：為期兩周的課程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間接近尾聲，我感覺這是大學(xué)里收獲最大的一次課設(shè)，本次的設(shè)計(jì)題目是發(fā)動機(jī)部件的三維建模ANSYS軟件的有限元分析，我選的是連桿的分析。這一次的設(shè)計(jì)中真的算得上是困難重重。首先是三維模型的建立 ，由于并不熟悉UG的畫法，所以每畫一個(gè)細(xì)節(jié)要重復(fù)很多遍，有的時(shí)候可能已經(jīng)完成了大部分的建模，突然發(fā)現(xiàn)下一步?jīng)]辦法處理了，往往我的選擇就是刪掉

11、圖形，重新開始，就這樣自己摸索著去完成連桿的三維建模，盡管可能最后的圖形與實(shí)際的有一點(diǎn)點(diǎn)出入，但是我相信我可以畫的越來越好，同時(shí)也熟悉了UG軟件一些常用的功能，懂得了如何去使用它們。 其次是ANSYS軟件的使用，這一項(xiàng)內(nèi)容可謂是最困難的，這是一個(gè)完全陌生的軟件，不懂得它的工作原理，不懂得它的分析對象，而且軟件的所有菜單都是英文，每天從早到晚的在圖書館泡著，參閱各種工具書，去熟悉軟件的基本功能，熟悉實(shí)體模型的分析過程。至始至終都是靠自己自學(xué)來完成。 這一次的課設(shè)，收獲很大，熟悉了一些軟件的使用，明白了什么是有限元分析，如何利用ANSYS進(jìn)行有限元分析，以及從分析結(jié)果中獲得改進(jìn)措施。對于我們來說，這不再是一次簡單的