連桿小端襯套活塞銷強度分析及其影響因素

李元穎　張永亮

摘 要：通過有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷三體配合的模型，針對連桿小端-襯套-活塞銷在氣體爆發壓力作用下的強度及相關因素的影響規律進行分析，得出在最大爆發壓力下襯套的最大等效應力處；在相同爆發壓力下，襯套寬度，比壓與襯套最大等效應力的關系；活塞銷與襯套的配合間隙與最大等效應力的關系；在相同結構下，比壓與最大等效應力的關系。

關鍵詞：連桿小端-襯套-活塞銷三體配合；相關因素影響規律；ANSYS

1 概述

在內燃機中活塞通過活塞銷和襯套與連桿連接，以推動曲軸的轉動，活塞銷與襯套在內燃機運轉中承受氣體爆發壓力以及活塞連桿組慣性力的作用，而且這些力都是周期變化的沖擊性負荷，此時軸承的工作性能和可靠性嚴重影響著內燃機整機的工作性能。特別是近年來，內燃機日益向高速和大功率方向發展，相應地，對于軸承各個方面的性能要求也越來越高。因此，深入分析、計算連桿襯套的強度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發壓力下的強度問題，以及相關因素對襯套強度的影響規律，對于提高內燃機整機工作的可靠性和延長使用壽命都具有十分重大的意義。

對于連桿襯套受氣體爆發壓力和慣性力作用時的應力計算，雖然其形狀并不復雜，但由于連桿襯套與連桿小端過盈裝配，連桿襯套又與活塞銷存在接觸，活塞銷受慣性力和缸內爆發壓力共同作用。襯套的實際應力的準確計算比較困難，傳統方法相當的不準確性。有限元方法的發展為精確且全面地計算連桿襯套應力提供了條件，目前已成為計算連桿襯套應力的主要手段。

文章通過ANSYS軟件為針對連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸模型在氣體爆發壓力作用下的襯套強度及相關因素的影響規律進行了分析，旨在為高速大功率柴油機的連桿襯套設計提供參考[1]。

活塞銷載荷是襯套強度計算的基礎，進行連桿-襯套-活塞銷三體接觸分析計算時，首先要確定活塞銷負荷。連桿小端與襯套過盈配合，通過活塞銷與活塞連接作直線往復運動，在柴油機的整個工作過程中，處于進氣沖程階段時，連桿通過活塞銷帶動活塞向下運動，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動活塞向上運動，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃氣爆發產生的巨大壓力推動活塞下行，活塞通過活塞銷推動連桿向下運動，連桿再推動曲軸轉動，襯套的下部承受強大的擠壓力。

4 比壓與襯套最大等效應力

以某柴油機為研究對象，1500rpm工況下受最大爆發壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計算了柴油機不同參數下的比壓與最大等效應力，以分析襯套寬度B對比壓及襯套最大等效應力的影響，以及襯套與活塞銷配合間隙對襯套最大等效應力的影響。

表3所示為16MPa爆發壓力下不同寬度時比壓及襯套最大等效應力的計算值。圖4為寬度B對比壓及襯套最大等效應力的影響。計算結果表明，在相同爆發壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應力降低，二者呈線性關系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強度。

5 結論

分析、計算連桿襯套的強度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發壓力下的強度問題，以及襯套材料、規格對襯套強度的影響規律，對于連桿襯套的設計具有十分重大的意義。通過連桿襯套的強度有限元分析，得出如下結論：

（1）連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸強度有限元分析結果表明，連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸在施加慣性力及氣體爆發壓力后，襯套的最大等效應力出現在靠近連桿一側的內壁邊緣。

（2）在相同爆發壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應力降低，二者呈線性關系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強度。

（3）隨著活塞銷與襯套的配合間隙的增大，由于受力面積的減小引起襯套的最大等效應力的增加，但增加幅度較小。

（4）在相同結構下隨著比壓的增加，襯套最大等效應力呈線性增大。

參考文獻

[1]孫東印，司建明，李郁. 綜述CAE技術的發展和應用[J] 現代制造技術與裝備2011（02）：1-3.

[2]張保成，蘇鐵熊.內燃機動力學[M].北京：國防工業出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，馮垣潔.基于有限元的連桿襯套過盈配合分析求解[J].軸承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志強. W6170Z柴油機連桿小頭有限元強度考核[J].山東內燃機，1996（03）：7-9.

作者簡介：李元穎（1988-），女，山西朔州人，中北大學機械與動力工程學院，碩士研究生，主要研究方向：發動機總體技術及結構動態設計

摘 要：通過有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷三體配合的模型，針對連桿小端-襯套-活塞銷在氣體爆發壓力作用下的強度及相關因素的影響規律進行分析，得出在最大爆發壓力下襯套的最大等效應力處；在相同爆發壓力下，襯套寬度，比壓與襯套最大等效應力的關系；活塞銷與襯套的配合間隙與最大等效應力的關系；在相同結構下，比壓與最大等效應力的關系。

關鍵詞：連桿小端-襯套-活塞銷三體配合；相關因素影響規律；ANSYS

1 概述

在內燃機中活塞通過活塞銷和襯套與連桿連接，以推動曲軸的轉動，活塞銷與襯套在內燃機運轉中承受氣體爆發壓力以及活塞連桿組慣性力的作用，而且這些力都是周期變化的沖擊性負荷，此時軸承的工作性能和可靠性嚴重影響著內燃機整機的工作性能。特別是近年來，內燃機日益向高速和大功率方向發展，相應地，對于軸承各個方面的性能要求也越來越高。因此，深入分析、計算連桿襯套的強度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發壓力下的強度問題，以及相關因素對襯套強度的影響規律，對于提高內燃機整機工作的可靠性和延長使用壽命都具有十分重大的意義。

對于連桿襯套受氣體爆發壓力和慣性力作用時的應力計算，雖然其形狀并不復雜，但由于連桿襯套與連桿小端過盈裝配，連桿襯套又與活塞銷存在接觸，活塞銷受慣性力和缸內爆發壓力共同作用。襯套的實際應力的準確計算比較困難，傳統方法相當的不準確性。有限元方法的發展為精確且全面地計算連桿襯套應力提供了條件，目前已成為計算連桿襯套應力的主要手段。

文章通過ANSYS軟件為針對連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸模型在氣體爆發壓力作用下的襯套強度及相關因素的影響規律進行了分析，旨在為高速大功率柴油機的連桿襯套設計提供參考[1]。

活塞銷載荷是襯套強度計算的基礎，進行連桿-襯套-活塞銷三體接觸分析計算時，首先要確定活塞銷負荷。連桿小端與襯套過盈配合，通過活塞銷與活塞連接作直線往復運動，在柴油機的整個工作過程中，處于進氣沖程階段時，連桿通過活塞銷帶動活塞向下運動，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動活塞向上運動，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃氣爆發產生的巨大壓力推動活塞下行，活塞通過活塞銷推動連桿向下運動，連桿再推動曲軸轉動，襯套的下部承受強大的擠壓力。

4 比壓與襯套最大等效應力

以某柴油機為研究對象，1500rpm工況下受最大爆發壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計算了柴油機不同參數下的比壓與最大等效應力，以分析襯套寬度B對比壓及襯套最大等效應力的影響，以及襯套與活塞銷配合間隙對襯套最大等效應力的影響。

表3所示為16MPa爆發壓力下不同寬度時比壓及襯套最大等效應力的計算值。圖4為寬度B對比壓及襯套最大等效應力的影響。計算結果表明，在相同爆發壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應力降低，二者呈線性關系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強度。

5 結論

分析、計算連桿襯套的強度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發壓力下的強度問題，以及襯套材料、規格對襯套強度的影響規律，對于連桿襯套的設計具有十分重大的意義。通過連桿襯套的強度有限元分析，得出如下結論：

（1）連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸強度有限元分析結果表明，連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸在施加慣性力及氣體爆發壓力后，襯套的最大等效應力出現在靠近連桿一側的內壁邊緣。

（2）在相同爆發壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應力降低，二者呈線性關系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強度。

（3）隨著活塞銷與襯套的配合間隙的增大，由于受力面積的減小引起襯套的最大等效應力的增加，但增加幅度較小。

（4）在相同結構下隨著比壓的增加，襯套最大等效應力呈線性增大。

參考文獻

[1]孫東印，司建明，李郁. 綜述CAE技術的發展和應用[J] 現代制造技術與裝備2011（02）：1-3.

[2]張保成，蘇鐵熊.內燃機動力學[M].北京：國防工業出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，馮垣潔.基于有限元的連桿襯套過盈配合分析求解[J].軸承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志強. W6170Z柴油機連桿小頭有限元強度考核[J].山東內燃機，1996（03）：7-9.

作者簡介：李元穎（1988-），女，山西朔州人，中北大學機械與動力工程學院，碩士研究生，主要研究方向：發動機總體技術及結構動態設計

摘 要：通過有限元軟件ANSYS建立連桿小端-襯套-活塞銷三體配合的模型，針對連桿小端-襯套-活塞銷在氣體爆發壓力作用下的強度及相關因素的影響規律進行分析，得出在最大爆發壓力下襯套的最大等效應力處；在相同爆發壓力下，襯套寬度，比壓與襯套最大等效應力的關系；活塞銷與襯套的配合間隙與最大等效應力的關系；在相同結構下，比壓與最大等效應力的關系。

關鍵詞：連桿小端-襯套-活塞銷三體配合；相關因素影響規律；ANSYS

1 概述

在內燃機中活塞通過活塞銷和襯套與連桿連接，以推動曲軸的轉動，活塞銷與襯套在內燃機運轉中承受氣體爆發壓力以及活塞連桿組慣性力的作用，而且這些力都是周期變化的沖擊性負荷，此時軸承的工作性能和可靠性嚴重影響著內燃機整機的工作性能。特別是近年來，內燃機日益向高速和大功率方向發展，相應地，對于軸承各個方面的性能要求也越來越高。因此，深入分析、計算連桿襯套的強度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發壓力下的強度問題，以及相關因素對襯套強度的影響規律，對于提高內燃機整機工作的可靠性和延長使用壽命都具有十分重大的意義。

對于連桿襯套受氣體爆發壓力和慣性力作用時的應力計算，雖然其形狀并不復雜，但由于連桿襯套與連桿小端過盈裝配，連桿襯套又與活塞銷存在接觸，活塞銷受慣性力和缸內爆發壓力共同作用。襯套的實際應力的準確計算比較困難，傳統方法相當的不準確性。有限元方法的發展為精確且全面地計算連桿襯套應力提供了條件，目前已成為計算連桿襯套應力的主要手段。

文章通過ANSYS軟件為針對連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸模型在氣體爆發壓力作用下的襯套強度及相關因素的影響規律進行了分析，旨在為高速大功率柴油機的連桿襯套設計提供參考[1]。

活塞銷載荷是襯套強度計算的基礎，進行連桿-襯套-活塞銷三體接觸分析計算時，首先要確定活塞銷負荷。連桿小端與襯套過盈配合，通過活塞銷與活塞連接作直線往復運動，在柴油機的整個工作過程中，處于進氣沖程階段時，連桿通過活塞銷帶動活塞向下運動，襯套的上部承受壓力；處于排氣沖程和壓縮沖程階段，連桿推動活塞向上運動，襯套的下部承受壓力；處于膨脹行程階段，燃氣爆發產生的巨大壓力推動活塞下行，活塞通過活塞銷推動連桿向下運動，連桿再推動曲軸轉動，襯套的下部承受強大的擠壓力。

4 比壓與襯套最大等效應力

以某柴油機為研究對象，1500rpm工況下受最大爆發壓力16MPa，不考慮慣性力，分別計算了柴油機不同參數下的比壓與最大等效應力，以分析襯套寬度B對比壓及襯套最大等效應力的影響，以及襯套與活塞銷配合間隙對襯套最大等效應力的影響。

表3所示為16MPa爆發壓力下不同寬度時比壓及襯套最大等效應力的計算值。圖4為寬度B對比壓及襯套最大等效應力的影響。計算結果表明，在相同爆發壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應力降低，二者呈線性關系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強度。

5 結論

分析、計算連桿襯套的強度問題，特別是分析計算影響活塞銷-連桿-襯套三體接觸在最大爆發壓力下的強度問題，以及襯套材料、規格對襯套強度的影響規律，對于連桿襯套的設計具有十分重大的意義。通過連桿襯套的強度有限元分析，得出如下結論：

（1）連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸強度有限元分析結果表明，連桿小端-襯套-活塞銷三體接觸在施加慣性力及氣體爆發壓力后，襯套的最大等效應力出現在靠近連桿一側的內壁邊緣。

（2）在相同爆發壓力下，隨著襯套寬度的增加，比壓與襯套最大等效應力降低，二者呈線性關系。增加襯套寬度有利于提高襯套的強度。

（3）隨著活塞銷與襯套的配合間隙的增大，由于受力面積的減小引起襯套的最大等效應力的增加，但增加幅度較小。

（4）在相同結構下隨著比壓的增加，襯套最大等效應力呈線性增大。

參考文獻

[1]孫東印，司建明，李郁. 綜述CAE技術的發展和應用[J] 現代制造技術與裝備2011（02）：1-3.

[2]張保成，蘇鐵熊.內燃機動力學[M].北京：國防工業出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，馮垣潔.基于有限元的連桿襯套過盈配合分析求解[J].軸承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志強. W6170Z柴油機連桿小頭有限元強度考核[J].山東內燃機，1996（03）：7-9.

作者簡介：李元穎（1988-），女，山西朔州人，中北大學機械與動力工程學院，碩士研究生，主要研究方向：發動機總體技術及結構動態設計