内燃机连杆结构的最优化设计..docx

仲恺农业工程学院2013-2014学年度第二学期《现代机械设计方法》期末课程考察报告报告题目： 内燃机连杆结构的最优化设计 报告摘要（200字）：连杆是内燃机的主要运动件之一，作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的回转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力。针对这一课题本文简要介绍了结构优化相关的理论基础，主要将连杆设计分为三部分：小头、杆身、大头，而且对连杆各部位的静力进行分析确定连杆结构，并结合采用有限元法数值计算技术对连杆结构进行分析。学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：113班姓名：姚永俊、尹世和、余帅权、郑晓伟学号：201110824336、201110824337、201110824338、201110824339评分： 1.前言连杆是内燃机的主要运动件之一，连杆的作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的回转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力，连杆的结构和性能直接影响内燃机的正常运转。采用常规设计难于使连杆达到既轻又可靠的要求，而选用最优化方法并结合采用有限元法数值计算技术对连杆结构进行分析，则可圆满?完成这一任务，并得出连杆最优化设计后的结构形状。本文就是针对这一课题研究了内燃机连杆的结构优化方法，简要介绍了结构优化相关的理论基础。1.1连杆的组成及设计要求1.1.1连杆组成 连杆由连杆小头、连杆大头、连杆杆身组成。其中连杆小头由连杆体的小头部分和连杆衬套组成。连杆大头由连杆体的大头部分、连杆螺钉（栓）、连杆轴瓦组成。连杆小头通过活塞销与活塞连接，作往复直线运动，连杆大头与曲轴的曲柄销连接作旋转运动，而连杆杆身则作复杂的平面合成运动，即随活塞销中心的平动以及绕活塞销中心的摆动。1.1.2设计要求受力要求：连杆工作时承受的作用力有：(1)由气体压力Pg和活塞组往复运动惯性力Pj n的合力P∑分解在连杆轴上的分量，即为连杆力P l。由于气体压力和往复运动质量惯性力随活塞位置的不同，使连杆力的大小和方向也随之改变。(2)连杆本，连杆所受的作用力是交变载荷，这就使连杆产生交变应力。因此要求连杆具有足够的强度，还应避免连杆上的应力集中。如果连杆零件强度不足，零件发生断裂，将破坏机体和曲轴，危及工作人员的安全和造成整个内燃机的报废，所以对连杆的强度应有足够的重视。强度要求：由以上分析可知，连杆所受的作用力是交变载荷，这就使连杆产生交变应力。因此要求连杆具有足够的强度，还应避免连杆上的应力集中。如果连杆零件强度不足，零件发生断裂，将破坏机体和曲轴，危及工作人员的安全和造成整个内燃机的报废，所以对连杆的强度应有足够的重视。 刚度要求：在连杆的作用下，将使连杆在摆动平面和垂直于摆动平面内都产生弯曲。这样不仅增加了连杆的工作应力，而且前一种弯曲将增加附加的侧压力，使活塞和气缸套的磨损加剧。而后一种弯曲，将破坏连杆轴承的正常工作，造成活塞销和曲柄销的偏磨。此外，如果连杆的大头和小头变形，会造成连杆轴承的工作不良、轴颈偏磨。故要求连杆具有足够的刚度。 结构要求：但是，增加连杆的强度和刚度，不能简单地依靠加大连杆的尺寸来实现，因为连杆质量增加，将加大惯性力，对内燃机的强度、轴承载荷、平衡和振动等都带来不良后果，也限制了内燃机转速的提高。因此对内燃机的要求既要强度和刚度高，又要尺寸小、重量轻。这就要求在材料选用、结构设计和制造工艺上采取必要的措施。约束条件：连杆结构的最大拉应力不得超过许用拉应力，连杆结构的最大压应力不得超过许用压应力。连杆大小端孔的最大收缩量不能超过许用值。连杆结构的疲劳安全系数不能小于许用值。设计变量在一定范围内变动，即：杆身凹槽按一定比率随杆身轮廓变化而变化。1.2连杆结构优化设计思路对连杆结构优化设计思路可以涉及到如尺寸优化和形状优化，再具体连杆本身优化设计可到大小端，及杆身的设计，其思路如下：(1) 连杆小头设计连杆小头结构主要有分两个方面：一是如何正确选定连杆小头的尺寸和结构；二是如何保证连杆小头轴承能正常工作。首先，连杆小头的内径和宽度应保证连杆小头有足够的承压面积，连杆小头衬套的内径是根据活塞销外径和轴承间隙决定的，而小头衬套的长度应与活塞销座的长度配合协调，也就是使连杆衬套和活塞销座的承压面积与它们的承载能力相对应。其次，连杆小头的结构形状对强度和刚度有很大影响。连杆小头必须有足够的刚度，以免变形过大影响轴承的工怍；同样连杆小头必须有足够的强度，特别应避免出现应力集中。连杆小头与连杆杆身衔接处的应力绝对值和变化幅度都是最大的。在同样的载荷下，杆身与小头过渡处越低，则过渡处的应力越大。(2) 连杆杆身设计连杆杆身的结构设计主要是决定连杆长度和截面形状。连杆长度为连杆大小头中心孔之间的距离，其值大小直接影响内燃机的总体高度和连杆摆动的角度。当内燃机气缸直径和活塞行程一定时，连杆