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寧波大紅鷹學院 畢業(yè)設計 論文 外文翻譯 所在學院 機械與電氣工程學院 班 級 10 機自 4 班 姓 名 陳晨 學 號 1021080405 指導教師 賈建軍 合作導師 2013 年 11 月 15 日 原文 INCREASING THE FATIGUE STRENGTHG RODS USED IN AUTOMOBILE ENGINES 譯文 提高汽車發(fā)動機中連接桿的疲勞強度 在開發(fā)高速內燃機汽車的設計師會遇到發(fā)動機連接桿大小端頭容易產生疲 勞裂紋的問題 圖 1 這些裂縫的產生 開始是靠近連桿小端頭 然后向油孔延生 直到整個連 桿發(fā)生斷裂 在另一大端頭連接板處 裂縫產生于組裝過程中 由于安裝螺栓 的難度大 形成的凹痕 裂縫就是從這里開始的 根據現(xiàn)在所掌握的研究來看 能夠建立可能造成連桿裂紋原因的數據庫 通過相關數據采取措施提高連桿的疲勞強度 并能夠消除早期的缺陷 油孔處裂紋 可以通過進行連桿葉片在壓力條件下的各項實驗和數據分析 研究 確定連桿裂縫形成的原因 應力測量試驗 它是使用一種特殊的夾具 在連接桿靜態(tài)時通過應力測量 進行的測定 值得注意的是在測試過程中 當連桿進行平行于振蕩面連接板壓 縮拉伸應力時 垂直葉片的軸的應力為最大值 圖 2 此時軸與加載表面的距 離為 10 20 毫米之間 當距離為 50 60 時 應力迅速下降到幾乎為零 當加載 面接拉伸應力接近減小到零時 改變其符號 計做壓縮應力 對應變計進行了測試 制定了工字梁凸緣 通過小頭端的閉合輪廓和壁厚 圖 1 中尺寸 H 來確定是否對連桿葉片應力有影響 這些試驗是在具有不同 壁厚 切斷較小一端 切斷凸緣 并在平面標準連桿上進行的 該試驗表明 小頭端的壁厚和作用在其內部的載荷以及性質 對連接桿葉 片的拉伸應力 圖 2 和圖 3 有顯著影響 凸緣的葉片部分和小頭端的封閉輪 廓對于拉伸應力幾乎沒有影響 并且可以在分析過程中忽略不計 這使得分析 模型簡單了很多 為了進行針對性的分析 工字鋼被假定沿邊緣連接到一個半無限大的鋼板 上 帶自由縱向邊緣 這個系統(tǒng)經受的張力 彎曲力 在較小的一端下部 和 負載是通過縱向軸線對稱來施加的 這是假設的鋼筋橫截面的主軸 是在一個平面上所進行的 它被焊接到沿 其軸線的連桿上 由于涉及自由縱向邊緣問題 要解決就要在一個更簡單的模 型方程的無限系統(tǒng)形式下進行了分析 圖 4 這個模型基于平面彈性理論有以 下的邊界條件 1 滾針軸承插入到連桿小端 圖 1 發(fā)動機連桿的初始設計 一 和現(xiàn)代化的設計 二 1 加勁肋 2 裂縫 3 較低的圓角 凹陷區(qū) 其中 x y xy u v 是壓力的偏轉參數 E v 是彈性模量和泊松 系數單位是胡克 I F 和 b2 是一定區(qū)域面積的瞬間慣性 B 的是所附連桿橫截 面的厚度 如果 q x q x 則作為應力的函數 邊界值問題 1 就可以很容易 地解決了 推出 2 代入 2 彈性理論常用公式中 3 并采取 A B C 0 我們得出 4 圖 2 表示直徑為 56 毫米的針 黑點 和直徑為 3 毫米的滾子 三角形 裝在連桿葉片時的局部應力 1 標準的連接桿 2 連桿的小頭端切斷面 3 沒有刃部的凸緣連接桿 4 平面連桿 連續(xù)線是基于實驗數據 點線是根據分 析數據 如果假定在板的邊緣分布平穩(wěn)增強的垂直法向力這 并且在間隔為 a x 就可以用傅里葉級數定義 5 其中 Q 為總的力的相應的值 從邊界條件 1 我們得到 6 推出 得出 方程 4 和 6 確定的邊界值問題 1 它們是由沿鋼筋 連桿的小頭 端 外部負載的不均勻分布造成的 對應于均衡的附加應力和變形負載 Q x 的公式中的組成部分 方程 5 Q 2b2l 是傅里葉級數 得出均勻分布的壓應力 O Q S 和 UO vQx ES V0 Q LY ES 在連桿上 在這些方程中 S 為連 接連桿的截面積 L 是它的長度 當分析一個集中荷載情況下施加在點 x y 0 的時的情況 是要考慮值 因此 在方程 6 中有必要采取得 2a 1L 圖 3 為最大拉伸應力和小頭端壁厚度 h 的關系 圖 4 分析模型來確定設立在壓縮過程中的連桿葉片的應力 當解決邊界值問題 1 可以看出 正常的應力的 x 0 是沿鋼筋板的縱 向邊緣存在 x l 如果假定這些應力沒有任何變化 通過小尺寸 2 升 狹窄 材料傳送并且進一步假設下列條件是有效的連桿刀片 7 其中的 x y xy 由方程確定的 式子 4 和 6 能夠近似解決 邊界值問題 應力的理論分布 x y xy 在圖中的曲線體中現(xiàn)出來 圖片 5 這 些曲線推導解析為當集中負荷 q 被施加到坐標原點的情況下 與實驗數據會完 全一致 正如所預期的 在這種情況下的最大應力是沿直線 x 0 時 上述程序是在明斯克 22M 電子數字計算機和專業(yè)計算機上進行的 該結 果是通過最小二進制 以建立實際方程 見表 1 和圖 6 用于計算最大局部應 力附近的小頭端的連桿葉片的應力狀態(tài) 并且分析在特定的值 xmax x 0 0 和 y 0 0 從表 1 與應變計數據的方程組的分析值 的對比表明 在方程中的誤差不超過 10 分析和實驗研究表明 沿油孔處裂紋的形成是由于連接桿中氣體在氣缸中 壓縮形成拉伸應力 這時油孔要作為一個集中器去應對這樣大的壓力 因此 裂紋總是從鉆孔開始 從而拉伸應力最大的區(qū)域裂縫的地方也是從這里開始的 相對于疲勞強度 n 對于此區(qū)域的因素很大程度上取決于尺寸 H 當 h 4 6 毫 米 n 1 05 當 h 7 毫米 n 1 51 由于尺寸 h 沒有在生產過程中適當的控 制 它在范圍內變化 從 4 6 到 7 參見圖 3 時 并導致了隨機缺陷 為了 減少拉伸應力引起的疲勞裂紋 可以增加工字鋼截面的連接板的厚度 并在其 下部控制小頭端的壁厚 保持尺寸 h 不小于 6 毫米 這些步驟使擋板的安全系 數與疲勞強度的 n 1 6 對這些步驟的有效性進行比較驗證 得出了連桿測試抗壓載荷作用下 這 種類型的加載導致連桿拉伸應力故障和使用壽命減小 注 v 是奧爾森系數 I F 是慣性和鋼筋截面面積矩 連接桿的小端 T F 是無量綱的值 這些參數中 S 表示連接桿的橫截面面積 p k 參照圖 6 是負載分配系數 如果存在集中載荷 p k 1 圖 5 表示在點 x y 0 的一個集中力 Q 加載的鋼筋板理論分布 V 0 3 I 0 2 F 3 6 a 約束的側緣片 二 與板橫向自由邊緣 為了保證壓縮負載的機械傳動 小頭端是由直徑為 56 毫米針的裝置加載 循環(huán)參數 幅度 17 5 萬噸 重負載 27 5 噸 一般都是以這參數為標準 原連桿連接的失敗 在不到 10 周期內的故障期間 測試和實際服務的性質是相 同的 圖 6 為的系數分布 p k 見表 1 為 測試是用三種常用的連桿和三個原型連桿來進行的 第一組在 0 24 106 0 43 10 6 和 0 6 106 的周期中都失敗了 而第二組在 5 106 周期循環(huán)沒有發(fā)生 故障 停止試驗 在上述測試中連桿在接受系列生產和早期的缺陷修復的基礎上 所有缺陷 完全消除了 對于連桿大頭處連接板裂縫 在開發(fā)發(fā)動機缸體時 為了降低和穩(wěn)定油耗 要將連桿振蕩設置在所述氣缸體的插槽中 這就需在連桿大頭設計時 厚度和 材料 不是原來的尺寸 都要保持相同的軸承剛度 參見圖 1b 兩種設計的連桿通過比較來測試震動 應用循環(huán)荷載的參考值和性質的基 礎上決定進行大的兩端應應變片測量 應變儀測量結果表明 在壓縮過程中張力的實際體現(xiàn)是在連桿的縱向力變 化上 體現(xiàn)在 1120 公斤 每平方厘米的初步設計連桿的應力振幅 在中央 參 見圖 1a 和 1250 千克 每平方厘米的現(xiàn)代化設計中 參見圖 1b 這些振幅 參數相對于安全值 相對于疲勞強度 的 4 3 和 3 85 的應力分別偏低 當然在 連桿上有比較大的端部的條件下 應力會產生很小的差別這是可能的 只有通 過在相當高的負載水平進行測試 以確定其壽命的 如果有的話 差異 相比 真正的循環(huán) 因此 壽命試驗要在以下的負荷值中進行 a 用于拉伸試驗 基數為 10 萬次 的載荷分別為 Qtmax 7 6 噸 Qtmin 1 時噸 b 用于壓 縮試驗 基座 5 萬次 的負載是 Qtmax 70 噸 Qcmin 4 噸 這些值相當于就 連接桿的 500 過載 成為最大負荷 初步分析來估計這種重載的連桿和大端其他的各種因素產生的可能影響 在連接桿葉片的凸緣壓縮過程中應變計測量在下端的焊縫處表現(xiàn)出增加了 25 30 的壓力 圖 1 中位置 3 因此 大的壓縮載荷都可能導致疲勞裂紋 然而 在實際的服務中這樣的裂紋不會發(fā)展為應力 它的數值在此區(qū)域不超過 950 千 克 每平方厘米 在所選擇的兩個相同基準值的連桿設計壽命試驗中表明 有在端井沒有缺 陷 因此 現(xiàn)代化的設計是為發(fā)動機的樣機所提供的 試驗后的在檢查其中一 臺發(fā)動機時 發(fā)現(xiàn)在其大端連接板上存在疲勞裂紋 分析證明 這些裂縫是從 裝配比較困難的連桿螺栓期間 鉗工對連接板雜散錘凹痕處開始的 這一缺陷使得有必要開發(fā)一種設計 使它不會對表面損傷產生敏感性 一 個合理的解決方案是 在凹陷區(qū)提供連桿葉片的表面氮化 從而消除裂紋的形 成 避免降低連桿的整體額疲勞強度 為了進一步驗證這種可能性方案 又在兩個不同的連接桿上進行了壽命試 驗 第一階段測試了在沒有氮化和有氮化的連接桿中 看在這過程中是否能夠 避免在連接桿葉片下產生裂紋 在拉伸和壓縮 四個樣品負載類型相同 循環(huán) 測試中表明 氮化設計是令人滿意的 試驗的第二階段是確定滲氮對凹痕敏感性有無影響 試驗進行了氮化連桿 和無氮化連桿在連接凹痕處打擊 將連桿的拉力增大 這樣就會導致的凹陷區(qū) 的拉伸應力增大 在這兩種方式都會使連桿在凹陷區(qū)形成裂紋 然而 氮化的 連桿會在 1 5 106 內循環(huán) 而沒有氮化的連桿失敗后 它的周期是 2 106 8 106 基于以上測試 證明被氮化過的連桿 裂縫不會在凹陷區(qū)出現(xiàn) 能夠進行 批量生產和長期使用