解決連桿小頭襯套的邊載問題

毛瑩 黃國彧 楊杰 朱玲玉

摘要：連桿是內燃機的主要零部件之一，但由其引起的邊載問題對內燃機的穩定性運行造成很大的影響，且始終未徹底解決。本文針對某機型連桿小頭襯套出現的邊載問題，對連桿小頭襯套增加了型線的設計。通過有限元及彈性液體動力學（EHD）模擬計算，綜合對比連桿小頭襯套的三種不同型線的總壓及干摩擦壓力，最終確定能滿足要求的連桿小頭襯套型線。

Abstract： The connecting rod is one of the main parts of internal combustion engine， but the side load problem has a great influence on the stability of internal combustion engine， and it has not been completely solved. In view of the side load problem on the small end bushing， the design of profile is added to the small end bushing of connecting rod.The total pressure and dry friction pressure of three different types of connecting rod small end bushing are comprehensively compared by the bearing EHD calculation， and finally the type of connecting rod small end bushing that can meet the requirements is determined.

關鍵詞：邊載;襯套;型線

Key words： side load;bushing;molded lines

中圖分類號：TK423.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0042-03

0? 引言

隨著內燃機技術的發展，人們對發動機的要求在追求高速化的同時，也越來越趨向于低污染、低排放，因此對發動機設計的要求也越來越高。連桿是內燃機的主要運動件之一，起到傳遞力和轉化運動的作用[1]。隨著發動機設計爆壓和功率的不斷提升，連桿小頭襯套成為了發動機的主要易損件，其工作可靠性將直接影響發動機工作的可靠性[2]。連桿小頭襯套在工作中受到沖擊性的氣體爆發壓力和活塞連桿組慣性力的動負荷作用，需選擇合適的合金材料承受最高油膜壓力，同時還要有合適的油膜厚度防止金屬材料之間的干摩擦[1]。但在實際開發中，在保證良好潤滑的情況下，也會有襯套咬合的故障，這就是連桿小頭襯套的邊載造成的。 連桿小頭襯套的邊載會導致連桿小頭襯套與活塞銷之間產生干摩擦，嚴重的會導致搗缸，直接影響發動機的可靠性[3]。為解決邊載的問題，本文提出增加連桿小頭襯套的型線的方案，并通過限元及彈性液體動力學（EHD）計算，最終通過試驗驗證。

1? 問題描述

某輕型非道路發動機耐久試驗后連桿小頭襯套出現邊載，碳化的現象，如圖1所示。本文對此連桿小頭進行EHD計算校核。

2? 有限元計算分析

2.1 計算模型建立

有限元模型包括連桿體、小頭襯套及大頭軸瓦等，大頭軸瓦及小頭襯套模型采用六面體網格，其余模型采用四面體二階單元如圖2所示。建立多體動力學模型，包括曲柄銷和活塞銷模型。連桿大頭軸瓦與曲柄銷之間采用NONL方式連接，連桿小頭襯套與活塞銷之間采用的液動潤滑軸承連接。

2.2 邊界條件加載

在活塞銷上施加爆壓載荷，主要考慮的是大扭矩轉速及額定點轉速下的爆壓曲線，在標定爆壓下大扭矩轉速及額定轉速下的爆壓曲線分別見圖3和圖4。

2.3 計算結果

2.3.1 一維計算結果

大扭矩轉速及額定轉速工況下連桿小頭襯套最大油膜總壓、最大干摩擦壓力及最小油膜厚度分別如圖5、圖6和圖7所示。

2.3.2 二維計算結果

大扭矩轉速及額定轉速工況下，二維EHD計算結果及限值如圖8、圖9所示，其中最大油膜總壓高達390MPa，遠高于限值280MPa，不滿足要求;最大干摩擦壓力在邊緣也達到390MPa，高于限值140MPa，此設計不滿足要求。

由于總壓與干摩擦壓力和液動壓力相關，因此干摩擦壓力過大是導致總壓過大的主要原因，由圖8-圖9可知，干摩擦主要出現在襯套90～270°之間，也就是在襯套邊緣處，因此建議增加襯套型線。

提供三種襯套型線方案，如圖10所示。以大扭矩轉速1400r/min為例三種襯套型線方案對應的總壓及干摩擦一維計算結果如圖11和圖12所示。總壓及干摩擦二維結果如圖13、圖14和圖15所示。原計算無型線方案及三種襯套型線方案最大油膜總壓及干摩擦數值對比如表1所示。

3? 結論

①原無型線的方案總壓及干摩擦壓力高于限值不滿足設計要求。②改進方案中的方案二可以滿足設計要求，可使用此方案的連桿小頭襯套型線。③有限元分析結果滿足設計要求后，經后期的試驗驗證，增加連桿小頭襯套型線的連桿可以滿足要求，耐久后的連桿如圖16所示。

參考文獻：

[1]內燃機設計[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]陳伯賢.連桿小頭襯套的結構與設計[J].內燃機配件，1989（3）：1-9.

[3]方金梅.活塞銷的連接配合與故障分析[J].農機使用與維修，2014（5）：40-43.