連桿課程設計說明書

1、連桿課程設計說明書院別： 能源與動力工程學院 專業(yè)： 熱能與動力工程 班 級： 新能源1002 姓名：學號：指導教師：潘劍鋒 2014年 1月前 言 隨著生活水平的提高，人們?yōu)榱顺鲂蟹奖悖嚨男阅芤笠苍絹碓礁?。而提高發(fā)動機性能，一方面可以降低噪音，增強發(fā)動機效率；另一方面也可以節(jié)約能源，有利于環(huán)保。連桿作為發(fā)動機活塞運動的主要部件，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。而連桿的強度與任性也是決定發(fā)動機性能的因素之一。 為了保證連桿的疲勞強度， 要求連桿的材料要具有良好的綜合力

2、學性能及工藝性能。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70年代由于石油危機，為節(jié)省能源，歐美 和日本開始大量應用非調(diào)質(zhì)鋼，并取得很大的進展。隨著汽車工業(yè)制造技術的發(fā)展，對于汽車發(fā)動機的動力性能及可靠性要求越來越高，而連桿的強度、剛度對提高發(fā)動機的動力性及可靠性至關重要，因此國內(nèi)外各大汽車公司對發(fā)動機連桿用材料及制造技術的研究都非常 重視。 在滿足性能指標的前提下， 連桿的材料和制造技術關聯(lián)很大，非調(diào)質(zhì)鋼的應用就是考慮節(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可以大幅度地減少機械加工工序，由此開發(fā)了高強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設計任務4一、連桿概況41、連桿結(jié)構(gòu)特點42、工作工作環(huán)境53、連桿設計要求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、導入連桿三維模型73、設置單元屬性84、網(wǎng)格劃分95、設置載荷和約束96、求解及結(jié)論分析101）位移變化圖102）應力應變結(jié)果圖11四、課程設計總結(jié)：12五、參考文獻13設計任務設 計 任 務1、分析連桿工作環(huán)境，性能要求以及材料等；2、根據(jù)圖紙進行三維實體建模；3、對模型進行有限元分析；4、根據(jù)有限元分析的結(jié)果進行強度分析。一、連桿概況1、連桿結(jié)構(gòu)特點 連桿的作用是傳遞活塞與曲軸間的作用力,并將

4、活塞的往復運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動,連桿應保證足夠的強度和剛度。 發(fā)動機連桿為模鍛件，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)動機工作時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。小頭的頂上有一個集油孔，當曲軸旋轉(zhuǎn)時，激濺起來的機油甩到活塞內(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)動機為了在最小質(zhì)量時最大的強度和剛度，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，除承受燃燒室燃氣產(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力

6、。因此，連桿在一個復雜的應力狀態(tài)下工作。它既受交變的拉壓應力、又受彎曲應力。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高應力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能;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、連桿設計要求連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產(chǎn)生的交變載荷，因此，在設計時應首先保證連桿具有在足夠的疲勞強度和結(jié)構(gòu)鋼度。如果強度不足，就會發(fā)生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會對曲柄連桿機構(gòu)的工作帶來不好的影響。所以設計連桿的一個

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度。為此，必須選用高強度的材料；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)進行分析，了解每一部分所表達的形狀。2、UG三維建模模型利用UG NX 7.0對連桿進行三維實體建模，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、導入連桿三維模型在ANSYS中選擇導入LIANGAN.prt圖片，命令如下Utility Menu ：File >Import >NX效果圖如下3、設置單元屬性單元類型：材料屬性：4、網(wǎng)格劃分點擊Meshing

8、子菜單中的MeshTool，在彈出的對話框中，再點擊Mesh,然后選中之前導入的模型，點OK，創(chuàng)建網(wǎng)格完成，效果如圖5、設置載荷和約束載荷設置：點出Solution的下拉菜單：DefineLoadsApplyStructuralPressureOnAreas,選中小孔內(nèi)圓朝內(nèi)的一半，點OK,在彈出的對話框內(nèi)填寫1000，點OK。約束設置：點出Solution的下拉菜單：Define LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，選中大孔內(nèi)圓，點OK，在彈出的對話框中選中ALL DOF,點OK。設置結(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，當小頭受到力的作用的時候，會產(chǎn)生變形，距離施加力位置近的變形嚴重，而在大頭位置距離較遠，受到的影響較小，變形不明顯。2）應力應變結(jié)果圖由于幾何形狀對稱性，受力對稱，故應力圖呈對稱分布。桿身中部應力大于兩個圓頭，小圓頭外側(cè)與連桿圓角過渡處（紅色部分）應力集中。由圖可知，在紅色區(qū)域為受力最大的位置，也是變形最嚴重的位置。分析結(jié)論： 由應力應變及位移變化可知，當連桿在靜止不動，小頭施加力的時候，會造成連桿變形，整個連桿結(jié)構(gòu)的最大應力出現(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，因為連桿是對稱結(jié)構(gòu)，力施加在對稱線上，所以其形變與應力應變也是對稱的。這與實際情況是相吻合的。但

10、是，因為連桿正常的工作環(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、較為真實地反映了汽車連桿的受力情況四、課程設計總結(jié)：為期兩周的課程設計轉(zhuǎn)眼間接近尾聲，我感覺這是大學里收獲最大的一次課設，本次的設計題目是發(fā)動機部件的三維建模ANSYS軟件的有限元分析，我選的是連桿的分析。這一次的設計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，所以每畫一個細節(jié)要重復很多遍，有的時候可能已經(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際的有一點點出入，但是我相信我可以畫的越來越好，同時也熟悉了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，這一項內(nèi)容可謂是最困難的，這是一個完全陌生的軟件，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，熟悉實體模型的分析過程。至始至終都是靠自己自學來完成。 這一次的課設，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進行有限元分析，以及從分析結(jié)果中獲得改進措施。對于我們來說，這不再是一次簡單的