夏利轿车发动机连杆静态和谐响应分析
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从受压工况下的应力等值线图上， 我们可以看出最大应力部 位位于连杆小头与杆身的连接处，#/01 2 %#!K80。从受拉工况下 的应力等值线图上， 我们可以看出最大应力部位仍然位于连杆小 头与杆身的连接处， 夏利轿车连杆材料为 !"M9， 许 #/01 2 ("LK80。 用应力为 #!’K80， 可见连杆在两种工况下的静强度足够。 表 ( 连杆的前四阶固有频率 B0?$ ( BCD NGH9 =*CD9D*E N9DOHD*FP GN J=*Q ?09
万方数据
夏利轿车发动机连杆静态和谐响应分析
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 王红卫， WANG Hong-wei 郑州轻工业学院机电工程学院,郑州,450000 机械设计与制造 MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 2006(5) 2次
参考文献(3条) 1.韩松涛;郝志勇 4108Q型柴油机连杆的模态特性有限元分析[期刊论文]-车辆与动力技术 2000(04) 2.谈卓君;左正兴 内燃机连杆有限元分析进展[期刊论文]-中国机械工程 2004(04) 3.程峰 2018内燃机连杆三维有限元分析[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2003(03)
连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，其结构形状
连杆结构上来看 ! 本发动机连杆为大端结合面呈平切口连杆 ! 整 个连杆组件是一个对称结构 ! 因此 ! 对于约束和载荷均对称施 加， 在大端面内施加沿径向的位移约束， 在小断面施加沿径向的 压力。
图 # 连杆模型 617) # 89: ;/2:0 /< =9: 01>? @AB
($ %$ # 连杆的惯性力
连杆的运动是随活塞往复运动和绕活塞销摆动的复合运 动 . 连杆上任一单元形心处的加速度等于三项加速度的合成 . 即 0 ) 0 & 1 0 + 1 0 2 ) 0 & 1 / 3 ! 4% 5 0 2 式中： 0& —随活塞作往复运动的加速度 , 上止点时为 0& ) +!% 4 ( 5 "6 . / ) ;% ； 0+—绕小头孔中心 5 点旋转的向心加速度, 0+ ) /3!4%. / ) ;%； /3—单元形心至小头中心的距离 , /< !4 —连杆摆动的角速度 , !4 ) !"90: ) ;； 02—绕小头孔中心 5 点旋转的切线加速度 , 上止点时 02 2 ’. / ) ; 。
作用于连杆的力有 J 燃气压力、 活塞组的往复惯性力、 连杆 的惯性力。
#) *) # 燃气压力
作用于活塞的燃气压力为 J %# $ !#* ’(;AK H ’*%&5) #5GA &
万方数据
第"期
式中： !—活塞直径 . /； "#/01 —燃气最大爆发压力。
王红卫： 夏利轿车发动机连杆静态和谐响应分析 %$ % 动响应分析
【摘要】 连杆是汽车发动机的重要构件， 其结构形状和受载状况均很复杂。这里以夏利轿车发动机 连杆为例， 采用 +,-.- 软件对连杆进行了不同工况下的静态分析、 模态分析和谐响应分析， 为连杆设计 提供理论指导。 关键词：连杆；模态；谐响应 【!"#$%&’$】)*+ ,-. /0 1*+ /2%-,1341 %3,1 -5 361-2-7/8+ +49/4+: /1 *30 0-%*/01/;31+. 01,6;16,+ 34. 0655+,0 ;-2%8+< 8-3.0: /4 1*/0 %3%+,: 13=/49 1*+ </38/ 361-2-7/8+ ,-. 30 34 +<32%8+: 1*+ 0131/; 3438>0/0 64.+, ./55+,+41 ?-,=/49 ;-4./1/-40、 2-.38 34. *3,2-4/; 3438>0/0 3,+ ;-4.6;1+.: 388 1*+0+ 3,+ 60+568 1- 1*+ ,-. 01,6;16,+ .+0/94@ ()* +,%-#. /,-；0,-&1；2&%3,45’ 中图分类号：M%5% 文献标识码：+
3 ## 3
首先计算连杆的前四阶固有频率， 如表 ( 所示， 它是动响应 分析的基础。
($ %$ % 活塞组的惯性力
活塞组包括活塞、 活塞环、 活塞销、 活塞销卡环 . 其总质量记 为 $%. 以活塞加速度 & 作变速直线运动。则活塞组惯性力为 ’ (% 2 3 $%& ) * $%+!% 4 ( 5 "6 2 -7’’80 式中： +—曲柄半径 , $； !—曲轴的旋转角速度 , 90: ) ;； "—连杆比 , " ) - . /, / 为连杆的长度。
L 4* L
文章编号： #&&# L 4EEC R *&&5 ] &3 L &&4* L &*
机械设计与制造 FAT91>:B\ ^:Z17> _ FA>X<AT=XB:
第3期 *&&5 年 3 月
夏利轿车发动机连Байду номын сангаас静态和谐响应分析
（郑州轻工业学院机电工程学院，郑州 %3&&&&） 王红卫
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#$ L #$ % %$ 7 %$ !
% 计算结果分析
%$ ( 静态分析
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% ($ L ($ % ’$ 7 ’$ ! ’
’ (’’
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!’’ #’’ N9DOHDFP 4 +, 6
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图 ! 连杆的谐响应 @=A$ ! BCD C09/G*=F 9D;IG*;D GN ECD J=*Q ?09
阶次 ) * 固有频率 ) +, 振型特征 ( (!"$ &-%& 垂直弯曲 % %(!$ ’"! 水平弯曲 # ##’$ (’& 纵向扭转 ! "!#$ %&" 垂直弯曲
参考文献
郝志勇 $ !(’7T 型柴油机连杆的模态特性有限元分析 $ 车辆 ( 韩松涛， 与动力技术， %’’’ 年第 ! 期： #& R !’$ 左正兴 $ 内燃机连杆有限元分析进展 $ 中国机械工程 (" 卷 ! % 谈卓君， 期 %’’! 年 % 月下半月， #L" R #L-$ # 程峰 $ %’(7 内燃机连杆三维有限元分析 $ 拖拉机与农用运输车， %’’# 年第 # 期， ## R #"$
# 模型建立
计算模型是分析研究的前提。对复杂的工程结构作动态分 采用 +,-.- 中的 -/012%3 三维是 析! 计算模型的建立至关重要。 实体模型。网格划分如图 # 所示。共划分有个 *%*45 节点。从
# 来稿日期： *&&3 L &3 L 4#
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#) # 初始参数
活塞组质量 #5C&7 ， 连杆组质量 *&C%7 标定转速 *5&&B D ;1>， 最大转矩点转速 #’&&B D ;1> 最大爆发压力 EFGA 曲柄半径 ! H 3’) 3;;，连杆中心距 " H #*3;;，气缸直径 # $ #&’;; 连杆材料 %&IB
#) * 作用于连杆的力
本文读者也读过(10条) 1. 鲁守卫.岳鹏翔.王务林.业红玲 农用运输车柴油机连杆模态分析[期刊论文]-北京汽车2007(6) 2. 邵景范.李文斌.SHAO Jing-fan.LI Wen-bin 基于ANSYS的电镀CBN砂轮模态及谐响应分析[期刊论文]-机械工程与自动化 2011(2) 3. 张红兵.黄国忠.ZHANG Hong-bing.HUANG Guo-zhong 490ZQ柴油机关键零部件模态分析[期刊论文]-机械设计与制造 2005(7) 4. 刘灿昌.柴山.王利民.LIU CanChang.CHAI Shan.WANG LiMin 非周期激励作用下振动系统的谐响应分析[期刊论文]-机械 强度2010,32(6) 5. 张林.高翠琢.吴景峰.Zhang Lin.Gao Cuizhuo.Wu Jingfeng 基于大质量法的谐响应有限元分析[期刊论文]-半导体技术 2011,36(5) 6. 张日红.赵树森.ZHANG Rihong.ZHAO Shusen 基于模态综合技术的连杆模态分析[期刊论文]-现代机械2008(2) 7. 徐开元.徐武彬.唐满宾.XU Kai-yuan.XU Wu-bin.TANG Man-bin 基于有限元的机床滑鞍结构的动特性分析[期刊论文]-机 械设计与制造2011(4) 8. 张静.丁雪兴.黄义仿.富影杰.俞树荣.ZHANG Jing.DING Xuexing.HUANG Yifang.FU Yingjie.YU Shurong 干气密封焊接 金属波纹管的结构动态分析[期刊论文]-化工机械2010,37(2) 9. 刘怀喜.贺跃进.张恒 声发射检测复合材料飞轮损伤与断裂的结构模拟试验[期刊论文]-材料开发与应用2004,19(4) 10. 孙学军.何玉林.杜静.杨仕.张志弘.Sun Xuejun.He Yulin.Du Jing.Yang Shi.Zhang Zhihong 基于有限元的摩托车振动 分析与控制[期刊论文]-现代制造工程2005(2)
给定简谐激励， 频率从 ’ R &’’+,， 幅值为 %$ ’ S (’ 3 % /。连 杆的响应如图 ! 所示。 从图 ! 我们该注意到， 在频率为 (!"+, 和
（ 0） 受压工况下的应力等值线图 （? ） 受压工况下的应力等值线图
%(!+, 时 位 移 出 现 峰 值 。 这 于 已 知 频 率 (!"$ &-%+, 和 响应的最大幅值为 %$ 7 S (’ 3 % /。 %(!$ ’"!+, 相对应，
和受载状况均很复杂。它的性能好坏! 直接关系到发动机的功 效和寿命。连杆在工作过程中要承受装配载荷和交变工作载荷 的作用，工作条件比较恶劣。连杆的可靠性和寿命在很大程度 上影响着内燃机的可靠性和寿命。所以要求连杆耐疲劳、抗冲 击、 具有足够的强度和刚度。而工作中常见的缺陷有大、 小端与 杆身过渡圆弧处出现裂纹、 连杆弯曲等。 在国外! 现代发动机连杆性能设计及分析占有很重要的地 位。现代汽车向着环保节能方向的发展，对连杆设计的主要要 求是：在保证足够的强度、刚度和稳定性下! 尽可能达到质量 轻、 体积小、 形状合理 ! 并最大限度地减缓过渡区的应力集中。 文献 " # $ 对 %#&’( 型柴油机 在国内! 连杆的现代分析方面， 连杆进行了模态特性有限元分析 ) 文献 " * $ 对 *&#’ 内燃机连杆 三维有限元分析。此外，还有关于连杆计算精细有限元组合计 算模型、 摄动随机有限元法分析连杆应力方面等深入的研究。 动响应分析是近年来有限元分析的一个重点! 它推动了连 杆由传统静态设计向动态设计的发展。连杆的动态特性分析是 静态设计的补充和发展 ! 是对连杆结构进行合理设计、提高使 用可靠性的重要手段。本文对夏利轿车连杆进行静态和模态及 谐响应特性有限元分析，为设计出满足强度、刚度及轻量化要 求的连杆提供了参考依据。
图 % 应力等值线图 @=A$ % BCD ;E9D;; FG*EGH9 IJGE
# 结论
以夏利轿车发动机连杆为对象， 对连杆在压缩和拉伸工况下 的静态强度进行了分析； 在静态分析基础上， 对连杆进行了模态 分析和谐响应分析， 得到了夏利轿车发动机连杆的固有频率和谐 响应特性， 这些分析对于同类连杆的设计有理论指导作用。
%
4 0 6 一阶振型
4 ? 6 二阶振型
4 F 6 三阶振型
4 : 6 四阶振型
图 # 连杆的前四阶振型 @=A$ # BCD NGH9 /G:0J ;C0ID GN ECD J=*Q ?09
! S (’ 3 % !
因此第 = 个单元的惯性力为往复惯性力 (3( 和离心惯性力 (3% 的合成力 > (3( 2 $303 ) $3+!% 4 ( 5 "6 (3% 2 $3 0+ ) $3/ 4 3!" 6 %
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从受压工况下的应力等值线图上， 我们可以看出最大应力部 位位于连杆小头与杆身的连接处，#/01 2 %#!K80。从受拉工况下 的应力等值线图上， 我们可以看出最大应力部位仍然位于连杆小 头与杆身的连接处， 夏利轿车连杆材料为 !"M9， 许 #/01 2 ("LK80。 用应力为 #!’K80， 可见连杆在两种工况下的静强度足够。 表 ( 连杆的前四阶固有频率 B0?$ ( BCD NGH9 =*CD9D*E N9DOHD*FP GN J=*Q ?09
万方数据
夏利轿车发动机连杆静态和谐响应分析
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 王红卫， WANG Hong-wei 郑州轻工业学院机电工程学院,郑州,450000 机械设计与制造 MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 2006(5) 2次
参考文献(3条) 1.韩松涛;郝志勇 4108Q型柴油机连杆的模态特性有限元分析[期刊论文]-车辆与动力技术 2000(04) 2.谈卓君;左正兴 内燃机连杆有限元分析进展[期刊论文]-中国机械工程 2004(04) 3.程峰 2018内燃机连杆三维有限元分析[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2003(03)
连杆是汽车发动机的重要构件和主要运动件，其结构形状
连杆结构上来看 ! 本发动机连杆为大端结合面呈平切口连杆 ! 整 个连杆组件是一个对称结构 ! 因此 ! 对于约束和载荷均对称施 加， 在大端面内施加沿径向的位移约束， 在小断面施加沿径向的 压力。
图 # 连杆模型 617) # 89: ;/2:0 /< =9: 01>? @AB
($ %$ # 连杆的惯性力
连杆的运动是随活塞往复运动和绕活塞销摆动的复合运 动 . 连杆上任一单元形心处的加速度等于三项加速度的合成 . 即 0 ) 0 & 1 0 + 1 0 2 ) 0 & 1 / 3 ! 4% 5 0 2 式中： 0& —随活塞作往复运动的加速度 , 上止点时为 0& ) +!% 4 ( 5 "6 . / ) ;% ； 0+—绕小头孔中心 5 点旋转的向心加速度, 0+ ) /3!4%. / ) ;%； /3—单元形心至小头中心的距离 , /< !4 —连杆摆动的角速度 , !4 ) !"90: ) ;； 02—绕小头孔中心 5 点旋转的切线加速度 , 上止点时 02 2 ’. / ) ; 。
作用于连杆的力有 J 燃气压力、 活塞组的往复惯性力、 连杆 的惯性力。
#) *) # 燃气压力
作用于活塞的燃气压力为 J %# $ !#* ’(;AK H ’*%&5) #5GA &
万方数据
第"期
式中： !—活塞直径 . /； "#/01 —燃气最大爆发压力。
王红卫： 夏利轿车发动机连杆静态和谐响应分析 %$ % 动响应分析
【摘要】 连杆是汽车发动机的重要构件， 其结构形状和受载状况均很复杂。这里以夏利轿车发动机 连杆为例， 采用 +,-.- 软件对连杆进行了不同工况下的静态分析、 模态分析和谐响应分析， 为连杆设计 提供理论指导。 关键词：连杆；模态；谐响应 【!"#$%&’$】)*+ ,-. /0 1*+ /2%-,1341 %3,1 -5 361-2-7/8+ +49/4+: /1 *30 0-%*/01/;31+. 01,6;16,+ 34. 0655+,0 ;-2%8+< 8-3.0: /4 1*/0 %3%+,: 13=/49 1*+ </38/ 361-2-7/8+ ,-. 30 34 +<32%8+: 1*+ 0131/; 3438>0/0 64.+, ./55+,+41 ?-,=/49 ;-4./1/-40、 2-.38 34. *3,2-4/; 3438>0/0 3,+ ;-4.6;1+.: 388 1*+0+ 3,+ 60+568 1- 1*+ ,-. 01,6;16,+ .+0/94@ ()* +,%-#. /,-；0,-&1；2&%3,45’ 中图分类号：M%5% 文献标识码：+
3 ## 3
首先计算连杆的前四阶固有频率， 如表 ( 所示， 它是动响应 分析的基础。
($ %$ % 活塞组的惯性力
活塞组包括活塞、 活塞环、 活塞销、 活塞销卡环 . 其总质量记 为 $%. 以活塞加速度 & 作变速直线运动。则活塞组惯性力为 ’ (% 2 3 $%& ) * $%+!% 4 ( 5 "6 2 -7’’80 式中： +—曲柄半径 , $； !—曲轴的旋转角速度 , 90: ) ;； "—连杆比 , " ) - . /, / 为连杆的长度。
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文章编号： #&&# L 4EEC R *&&5 ] &3 L &&4* L &*
机械设计与制造 FAT91>:B\ ^:Z17> _ FA>X<AT=XB:
第3期 *&&5 年 3 月
夏利轿车发动机连Байду номын сангаас静态和谐响应分析
（郑州轻工业学院机电工程学院，郑州 %3&&&&） 王红卫
!"# $%&%’( &)* "&+,-)’( &)&./$’$ -0 1’&.’ &2%-,-3’.# #)4’)# +-*
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% 计算结果分析
%$ ( 静态分析
:=;I 4 // 6
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图 ! 连杆的谐响应 @=A$ ! BCD C09/G*=F 9D;IG*;D GN ECD J=*Q ?09
阶次 ) * 固有频率 ) +, 振型特征 ( (!"$ &-%& 垂直弯曲 % %(!$ ’"! 水平弯曲 # ##’$ (’& 纵向扭转 ! "!#$ %&" 垂直弯曲
参考文献
郝志勇 $ !(’7T 型柴油机连杆的模态特性有限元分析 $ 车辆 ( 韩松涛， 与动力技术， %’’’ 年第 ! 期： #& R !’$ 左正兴 $ 内燃机连杆有限元分析进展 $ 中国机械工程 (" 卷 ! % 谈卓君， 期 %’’! 年 % 月下半月， #L" R #L-$ # 程峰 $ %’(7 内燃机连杆三维有限元分析 $ 拖拉机与农用运输车， %’’# 年第 # 期， ## R #"$
# 模型建立
计算模型是分析研究的前提。对复杂的工程结构作动态分 采用 +,-.- 中的 -/012%3 三维是 析! 计算模型的建立至关重要。 实体模型。网格划分如图 # 所示。共划分有个 *%*45 节点。从
# 来稿日期： *&&3 L &3 L 4#
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#) # 初始参数
活塞组质量 #5C&7 ， 连杆组质量 *&C%7 标定转速 *5&&B D ;1>， 最大转矩点转速 #’&&B D ;1> 最大爆发压力 EFGA 曲柄半径 ! H 3’) 3;;，连杆中心距 " H #*3;;，气缸直径 # $ #&’;; 连杆材料 %&IB
#) * 作用于连杆的力
本文读者也读过(10条) 1. 鲁守卫.岳鹏翔.王务林.业红玲 农用运输车柴油机连杆模态分析[期刊论文]-北京汽车2007(6) 2. 邵景范.李文斌.SHAO Jing-fan.LI Wen-bin 基于ANSYS的电镀CBN砂轮模态及谐响应分析[期刊论文]-机械工程与自动化 2011(2) 3. 张红兵.黄国忠.ZHANG Hong-bing.HUANG Guo-zhong 490ZQ柴油机关键零部件模态分析[期刊论文]-机械设计与制造 2005(7) 4. 刘灿昌.柴山.王利民.LIU CanChang.CHAI Shan.WANG LiMin 非周期激励作用下振动系统的谐响应分析[期刊论文]-机械 强度2010,32(6) 5. 张林.高翠琢.吴景峰.Zhang Lin.Gao Cuizhuo.Wu Jingfeng 基于大质量法的谐响应有限元分析[期刊论文]-半导体技术 2011,36(5) 6. 张日红.赵树森.ZHANG Rihong.ZHAO Shusen 基于模态综合技术的连杆模态分析[期刊论文]-现代机械2008(2) 7. 徐开元.徐武彬.唐满宾.XU Kai-yuan.XU Wu-bin.TANG Man-bin 基于有限元的机床滑鞍结构的动特性分析[期刊论文]-机 械设计与制造2011(4) 8. 张静.丁雪兴.黄义仿.富影杰.俞树荣.ZHANG Jing.DING Xuexing.HUANG Yifang.FU Yingjie.YU Shurong 干气密封焊接 金属波纹管的结构动态分析[期刊论文]-化工机械2010,37(2) 9. 刘怀喜.贺跃进.张恒 声发射检测复合材料飞轮损伤与断裂的结构模拟试验[期刊论文]-材料开发与应用2004,19(4) 10. 孙学军.何玉林.杜静.杨仕.张志弘.Sun Xuejun.He Yulin.Du Jing.Yang Shi.Zhang Zhihong 基于有限元的摩托车振动 分析与控制[期刊论文]-现代制造工程2005(2)
给定简谐激励， 频率从 ’ R &’’+,， 幅值为 %$ ’ S (’ 3 % /。连 杆的响应如图 ! 所示。 从图 ! 我们该注意到， 在频率为 (!"+, 和
（ 0） 受压工况下的应力等值线图 （? ） 受压工况下的应力等值线图
%(!+, 时 位 移 出 现 峰 值 。 这 于 已 知 频 率 (!"$ &-%+, 和 响应的最大幅值为 %$ 7 S (’ 3 % /。 %(!$ ’"!+, 相对应，
和受载状况均很复杂。它的性能好坏! 直接关系到发动机的功 效和寿命。连杆在工作过程中要承受装配载荷和交变工作载荷 的作用，工作条件比较恶劣。连杆的可靠性和寿命在很大程度 上影响着内燃机的可靠性和寿命。所以要求连杆耐疲劳、抗冲 击、 具有足够的强度和刚度。而工作中常见的缺陷有大、 小端与 杆身过渡圆弧处出现裂纹、 连杆弯曲等。 在国外! 现代发动机连杆性能设计及分析占有很重要的地 位。现代汽车向着环保节能方向的发展，对连杆设计的主要要 求是：在保证足够的强度、刚度和稳定性下! 尽可能达到质量 轻、 体积小、 形状合理 ! 并最大限度地减缓过渡区的应力集中。 文献 " # $ 对 %#&’( 型柴油机 在国内! 连杆的现代分析方面， 连杆进行了模态特性有限元分析 ) 文献 " * $ 对 *&#’ 内燃机连杆 三维有限元分析。此外，还有关于连杆计算精细有限元组合计 算模型、 摄动随机有限元法分析连杆应力方面等深入的研究。 动响应分析是近年来有限元分析的一个重点! 它推动了连 杆由传统静态设计向动态设计的发展。连杆的动态特性分析是 静态设计的补充和发展 ! 是对连杆结构进行合理设计、提高使 用可靠性的重要手段。本文对夏利轿车连杆进行静态和模态及 谐响应特性有限元分析，为设计出满足强度、刚度及轻量化要 求的连杆提供了参考依据。
图 % 应力等值线图 @=A$ % BCD ;E9D;; FG*EGH9 IJGE
# 结论
以夏利轿车发动机连杆为对象， 对连杆在压缩和拉伸工况下 的静态强度进行了分析； 在静态分析基础上， 对连杆进行了模态 分析和谐响应分析， 得到了夏利轿车发动机连杆的固有频率和谐 响应特性， 这些分析对于同类连杆的设计有理论指导作用。
%
4 0 6 一阶振型
4 ? 6 二阶振型
4 F 6 三阶振型
4 : 6 四阶振型
图 # 连杆的前四阶振型 @=A$ # BCD NGH9 /G:0J ;C0ID GN ECD J=*Q ?09
! S (’ 3 % !
因此第 = 个单元的惯性力为往复惯性力 (3( 和离心惯性力 (3% 的合成力 > (3( 2 $303 ) $3+!% 4 ( 5 "6 (3% 2 $3 0+ ) $3/ 4 3!" 6 %