某发动机连杆的FEA分析

作者:安徽江淮汽车股份有限公司 李自强 许 涛 阮仁宇 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:80 发布时间:2016-11-17
本文对某发动机连杆进行了有限元分析,分别对连杆的动力学以及强度进行了计算。计算结果显示,轴瓦润滑状况良好,工作正常,连杆符合高周疲劳性能要求,满足使用要求。
某发动机连杆的FEA分析

连杆是发动机中重要的运动件,其作用是把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,并将作用在活塞上的力传递给曲轴以对外输出功。在发动机工作时,连杆作复杂的平面运动。连杆小头与活塞销连接,同活塞一起作往复运动;而连杆大头与曲柄销连接,同曲轴一起作旋转运动。在运动过程中,连杆要受到压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。根据其工作条件,连杆应具有足够的抗疲劳强度和结构刚度。

本文对某发动机的连杆进行FEA分析,主要计算连杆轴承动力学、校验连杆强度以及轴瓦过盈量计算等。检验在当前发动机系统下,设计连杆是否能够安全可靠。

连杆动力学计算

动力学计算评价的项目主要有轴瓦总压、粗暴接触压力以及功率损失率,其中功率损失率等于粗暴摩擦功率损失除以总摩擦功率损失。这些计算结果主要用于评价轴承的工作状态、润滑情况。计算工况一般选择最大扭矩工况(4 000 r/min)、额定工况(5 000 r/min)以及持续超速转速工况(5 600 r/min)。

1. 动力学建模

使用AVL EXCITE PU进行连杆动力学计算。搭建连杆计算模型,模型包括:连杆、活塞销、曲柄销、大头轴瓦、止推轴承、缸套以及连接副单元,如图1所示。

连杆的质量、刚度矩阵和几何、自由度文件由缩减而得。模型各节点间进行耦合连接,并定义连接的刚度和阻尼,刚度通过最大气体力以及耦合节点数估算。

进行动力学计算,轴承单元需要使用动力学两计算模型。动力学连接单元设置的关键参数是间隙和粗糙度,均使用平均值填写。缸压曲线需要以燃烧上死点为0°。

2.计算输入参数

连杆动力学计算的输入参数如表1所示。

3.动力学计算结果分析

图2、图3分别为额定工况下(5 000 r/min),连杆大头轴瓦的最大总压以及最大粗暴接触压力,一般要求最大总压不大于220 MPa,而最大粗暴接触压力不大于60 MPa。从图中可以看到,轴瓦最大总压为170.1 MPa,最大粗暴接触压力为24.54 MPa,完全满足评价指标。各工况下动力学计算结果如表2所示。

从计算结果来看,在各个工况下,连杆的最大总压、最大粗暴接触压力以及功率损失率均满足评价标准,说明轴瓦润滑状况良好,工作正常。

连杆强度计算

连杆强度分析首先通过ABAQUS计算连杆的应力分布情况,然后通过FEMFAT计算连杆的疲劳性能。

1.强度计算模型

连杆强度计算模型(见图4)包括:连杆体、大头盖、活塞销、大头轴瓦(上、下瓦)以及连杆螺栓等零件。连杆小头端约束X、Y方向自由度,连杆螺栓头部约束X、Z方向自由度。衬套与连杆小头、螺栓头部与大头盖、螺栓与杆身之间做绑定约束,其余接触面均做摩擦接触。

2.计算输入参数

连杆强度计算的输入参数如表3所示。

3.强度计算结果分析

由于连杆在发动机压缩行程时受到压应力,而在做功行程时受到拉应力,因此,对连杆在额定工况下,分别受到最大压应力和最大拉应力时的受力情况进行分析。一般基本载荷情况下的最大应力应该与所用材料的屈服强度比较,除螺纹以及螺栓头部外,其余区域的最大应力都应小于屈服强度。

图5、图6是分别受到最大压应力和最大拉应力时连杆的应力分布云图。从图5可以看到,在受压应力时,连杆上最大应力为605.481 MPa,位于连杆小头与活塞销挤压处,由于连杆材料为40Cr,其屈服强度为785 MPa,因此连杆最大应力小于材料的屈服极限。

从图6可以看到,在受拉应力时,连杆上最大拉应力位于螺栓绑定区域,不予考虑,其余部位的应力值均小于580 MPa,也小于材料的屈服强度。

图7所示为连杆的疲劳安全系数云图。从图7可以看到,连杆最小疲劳安全系数为1.12,位于小头与活塞销挤压处,小头下端最小安全系数为1.6,除螺栓绑定处,连杆上其余部位的安全系数均大于1.1的评价限值,说明该连杆符合高周疲劳性能要求。

结语

本文通过有限元软件对某发动机的连杆进行了动力学分析以及强度分析,得出了以下结论:

1.在各个工况下,连杆的最大总压、最大粗暴接触压力以及功率损失率均满足评价标准,说明轴瓦润滑状况良好,工作正常。

2.连杆无论是受到压应力还是拉应力时,其最大应力均小于材料的屈服极限;连杆最小疲劳安全系数为1.12,大于1.1的评价限值,说明该连杆符合高周疲劳性能要求。