连杆的优化设计

连杆的优化设计
1 前言
随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要。

因此，国内外各大汽车公司对发动机连杆的材料及制造技术的研究都非常重视。

“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求：
(1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；
(2)强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；
这就意味着对连杆的设计和加工有着更高的要求。

其一，杆身有足够的刚度可以预防工作时发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏。

同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性。

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2 连杆机构
2.1 连杆机构的特点
连杆机构具有以下传送特点:
1.连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构，lower pair mechanism）。

其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。

2.在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

3.在连杆机构中，连杆上的各点的轨迹是各种不同形状的曲线(称为连杆曲线，coupler-pointcurve)，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。

利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。

连杆机构也存在如下一些缺点：
1.由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累计，同时也使机械效率降低。

2.在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。

此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地满足。

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2.2 连杆设计制造的现状与特点
随着汽车、船舶等工业制造技术的发展，对于发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大发动机研制公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。

目前，碳素钢和合金钢连杆、非调质钢连杆、粉末冶金连杆、钛合金连杆等都有很广泛的应用，但在力学性能、生产成本等各个方面又各有优劣。

非调质钢由于其材料的成本不高，作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步地取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。

随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求，目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。

粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料可节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗可节；但前些年由于金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。

钛合金连杆可大幅度地降低连杆的质量，但金属钛的抗拉强度比较低。

由于我国的钛合金连杆、纤维强化铝合金连杆、粉末冶金锻造连杆的研究才刚刚起步。

虽然连杆加工本身所包括的工艺内容并不复杂，但由于材质、外形尺寸以及要求的加工精度，经常给加工带来不少困难。

锻造毛坯的精度及刚性差、孔加工的精度低、连续带状切屑的断屑、平面加工的毛刺、因夹压和内应力的重新分布而产生的几何变形等，是加工工艺长期以来需要研究和解决的主要技术问题。

所以，连杆的工艺设计只有通过现场的不断改善，才能最终达到设计的目标。

高强度，轻量化，低成本是汽车发动机连杆用材料的发展趋势，我国的发动机锻钢连杆制造与国外差距不大，但在连杆轻量化方面还相当落后；在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外比有一些差距。

国外连杆毛坯的加热
连杆的优化设计
大多采用电加热或感应加热；国内多数厂家采用空气锤制，蒸汽锤成形。

连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出以后，迅速在连杆分析上得到广泛应用。

近年来，对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有了很大发展。

对多杆多自由度平面连杆机构的研究，也提出了一些有关的分析及综合的方法。

同时，在设计要求上也已不再局限于运动学要求，而是同时要求兼顾机构的动力学特性。

特别是对于高速机械，考虑构件弹性变形的运动弹性动力学（KED）已得到很快的发展。

在研究方法上，优化方法和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机构的重要方法，并已相应的编制出大量的、适用范围广、计算机时少、使用方便的通用软件。

随着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不能解决的复杂平面连杆机构的设计问题正在逐步得到解决。

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2.3 连杆机构的应用
连杆机构应用十分广泛，它不仅在众多工农业机械和工程中得到广泛应用，而且诸如调整雷达天线俯仰角大小的连杆机构、铸造车间振实式造型机工作台的翻转机构、折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，也都用到连杆机构。

如图2-1所示的鹤式起重机构，保证货物水平移动。

如图2-2所示的汽车前轮转向机构。

车子转弯时，与前轮轴固定的两个摇杆的摆角不相等，如果在任意位置都能使两前轮的轴线的交点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车子转向时，保证四个轮子都是纯滚动，从而可以避免轮胎因滑动而产生过大磨损。

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3 连杆的机构设计
3.1 连杆的结构设计特点分析
在分析连杆的设计结构之前,应充分了解连杆的运动情况和受力情况。

3.1.1 连杆的运动分析
连杆是发动机传递动力的主要运动件,在机体中作复杂的平面运动,连杆小头随活塞作上下运动,连杆大头随曲轴作高速回转运动。

连杆杆身在大、小头孔运动的合成下作复杂的摆动。

其作用是将活塞顶的气体压力传给曲轴。

又受曲轴驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。

3.1.2 连杆的受力分析
连杆组在工作时工作条件恶劣承受着三方面的作用力；
(1) 气缸内的燃气压力；
(2) 活塞连杆组的往复运动惯性力；
(3) 连杆高速摆动时所产生的横向惯性力。

这三种力的大小和方向随着曲轴转角的变化而不断地变化。

综合起来的结果使连杆处于一种交变的复杂受力状态。

由于连杆为一细长杆件，当受压缩和横向惯性力作用时，若连杆杆身刚度不足，则会产生弯曲变形。

若在垂直于摆动平面内发生弯曲，则危害更大，造成轴承不均匀磨损，甚至烧瓦。

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3.1.3 连杆的结构分析
连杆组一般由连杆体、大头盖、连杆螺栓、轴瓦和连杆小头衬套等组成。

连杆体包括连杆小头、杆身和连杆大头的上部。

连杆大头的上部与连杆大头盖一起组成
连杆大头。

连杆结构如图3-1所示：
1-连杆衬套
2-连杆小头
3-连杆杆身
4-连杆螺钉
5-连杆大头
6-连杆轴瓦
7-连杆端盖
8-连杆轴瓦凸键
9-连杆轴瓦定位槽
图3—1连杆结构图
连杆把活塞和曲轴连接起来，连杆小头与活塞销相连接，并与活塞一起作往复运动；连杆大头与曲柄销相连接，和曲轴一起作旋转运动；连杆的其余部分则作复杂的平面运动。

作用于活塞上的力经连杆传给曲轴。

连杆必须具有足够的结构刚度和疲劳强度。

在力的作用下，杆身应该不致被显著压弯，连杆大小头也应该不致显著失圆。

杆身弯曲会使活塞相对于气缸、轴承相对于轴颈发生歪斜；也的失圆会使轴承失
去正常配合。

如果强度不足，在发动机动转过程中一旦发生连杆杆身、大头盖和连杆螺栓断裂，就会使机器受到严重的破坏。

3.2 连杆机构的杆长条件及应用实例
一、连杆机构中转动副为周转副的条件是：
1.杆长条件：最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其它两杆的长度之和。