基于有限元法的連桿靜力學分析及結構優化

摘要：本文針對發動機曲柄連桿機構中的連桿運動過程中的受力問題，運用了彈性力學、塑性力學的相關知識及有限元理論，得到了連桿運動過程中的受力情況，運用了solidworks軟件建模，并以ansys workbench軟件為平臺進行有限元的求解，得到了連桿的變形及等效應力應變，并給出合理的結構優化的建議。

關鍵詞：發動機連桿；受力分析；有限元理論；應力應變

本文旨在確定在連桿運動時各種力的影響下，連桿的變形及應力應變情況，并對結果進行分析以便給出合理的結構優化的建議。

1.連桿的受力分析

發動機的曲柄連桿機構由活塞、活塞環、連桿及曲軸組成。汽車運行時，發動機中的活塞在氣缸中做往復直線運動，曲軸繞軸線做旋轉運動，而處在活塞與曲軸之間的連桿便做復雜的擺動，既有上下運動，也有左右擺動。曲柄連桿機構受力主要來自四個方面：燃燒室內氣體壓力、運動部件的慣性力、各個相對運動表面之間的摩擦力及外部載荷作用在機構上的反作用力（力矩）。其中，相對運動表面間的摩擦力主要取決于潤滑情況、發動機結構及相對運動表面的粗糙度，工作阻力矩主要取決于受力情況。本文主要分析慣性力及燃氣壓力對連桿機構的影響。

在整個發動機工作循環中，雖然進排氣過程氣體對活塞都有阻礙作用，但是由于作用力很小，因而可忽略不計，這里主要考慮壓縮和做功沖程氣體阻力對活塞連桿的影響。

（1）做功沖程

發動機在做功行程時燃燒室內可燃混合氣被壓燃，燃燒產生的壓力推動活塞下行。假設氣體作用在活塞頂上的總壓力為F，經活塞傳給連桿時，由于連桿是偏斜的，因此將總作用力分解為F1，F2，其中F1方向垂直于汽缸壁，使活塞和氣缸壁之間產生側壓力，F2方向沿著連桿，使連桿軸承、軸頸和主軸承壓緊。

綜上，做功行程燃燒室內燃氣壓力F最終表現為側壓力F1、壓緊力F2，隨連桿運動過程中位置變化，這幾個力的大小和方向也在變化。

（2）壓縮沖程

壓縮行程中氣體阻礙活塞運動，與做功沖程類似，氣體作用在活塞上的總壓力F'最終分解成側壓力F'1和壓緊力F'2。他們的大小也隨著曲軸位置變化而變化。

（3）慣性力

活塞在運動中由于速度的大小和方向變化，必然會產生慣性力作用，其大小與活塞組質量和加速度成正比，方向在減速運動時與和運動方向一致，加速運動時與運動方向相反。在曲柄連桿機構運動時，同時存在直線運動和圓周運動的慣性力。

i）往復直線運動

活塞在氣缸內運動時其速度近似呈正弦曲線變化。到達上下止點時速度最小為零，臨近中間行程時速度最大，因而當活塞從上往下運動時，前半段為加速運動，后半段為減速運動，即前半段慣性力方向向上，后半段慣性力方向向下。同理可得，當活塞向上運動時，前半段慣性力方向向下，后半段慣性力方向向上，即不管活塞向上還是向下運動，活塞在上半氣缸時，慣性力方向向上，活塞處于下半氣缸時，慣性力方向向下?；钊M件質量越大，曲軸轉速越大，則往復直線運動的慣性力就越大，引起發動機上下振動。

ii）旋轉慣性力

曲軸連桿軸頸、連桿大頭和曲柄軸都繞著曲軸中心做回轉運動，因此必然產生旋轉慣性力。若將旋轉慣性力分解為水平和豎直兩個方向，則豎直方向上的力將加強豎直方向上的慣性力，水平方向的分力將產生水平方向的振動。

2.發動機連桿建模

在建模之前首先要弄清楚連桿結構及參數，連桿主要由連桿大頭、連桿桿身及連桿小頭組成。[1]

（1）連桿小頭的結構型式 連桿小頭用來裝活塞銷，并與活塞裝在一起。為了襯套潤滑，小頭上一般銑有油槽，并通過襯套上的孔或者槽與襯套內表面相連通。

（2）連桿大頭的結構型式 連桿大頭用來連接曲軸，為了方便安裝，連桿大頭一般做成分開式，一般是連桿大頭，一般是連桿蓋，二者用螺栓連接。連桿大頭切口形式有平切口和斜切口，本文研究對象為平切口連桿。

（3）桿身的結構型式 桿身通常采用“工”字形斷面形狀，用以提高結構強度。在有些發動機的連桿桿身上還鉆有油孔，使連桿的潤滑油流向連桿小頭。

綜上所述，選取一般連桿的參數如表1，材料屬性如表2。

3.連桿靜力學有限元分析[2]

在上止點附近，活塞受到的氣體壓力為：

D——氣缸內徑，D=130mm

p——燃氣爆發壓力，p=107pa

因此連桿受到的壓力為：

S——小頭接觸面積，S=42×42=1764mm2

計算出p=75Mpa.最終結果如圖2-4。

4.結語

本文針對發動機連桿受力問題，采用有限元方法，利用軟件求解得出結果，并結合連桿的變形、應力及應變給出了合理建議。

參考文獻：

[1]陳新軒.現代工程機械發動機與底盤構造[M].人民交通出版社，2002：20-38

[2] 張洪信.有限元基礎理論與ANSYS11.0應用 [M].機械工業出版社，2009：129-133

作者簡介：李彬（1997-），男，漢，安徽人，重慶交通大學本科生，研究方向：機械設計制造及其自動化