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寧波大紅鷹學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 外文翻譯 所在學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院 班 級(jí) 10 機(jī)自 4 班 姓 名 陳晨 學(xué) 號(hào) 1021080405 指導(dǎo)教師 賈建軍 合作導(dǎo)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(dòng)機(jī)中連接桿的疲勞強(qiáng)度 在開發(fā)高速內(nèi)燃機(jī)汽車的設(shè)計(jì)師會(huì)遇到發(fā)動(dòng)機(jī)連接桿大小端頭容易產(chǎn)生疲 勞裂紋的問題 圖 1 這些裂縫的產(chǎn)生 開始是靠近連桿小端頭 然后向油孔延生 直到整個(gè) 連桿 發(fā)生斷裂 在另一大端頭連 接板處 裂 縫產(chǎn)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(jù)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(shù)據(jù)庫 通 過相關(guān)數(shù)據(jù)采取措施提高連桿的疲勞強(qiáng)度 并能夠消除早期的缺陷 油孔處裂紋 可以通過進(jìn)行連桿葉片在壓力條件下的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析 研究 確定連桿裂縫形成的原因 應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn) 它是使用一種特殊的夾具 在 連接桿靜態(tài)時(shí)通過應(yīng)力測(cè)量進(jìn) 行的測(cè)定 值得注意的是在 測(cè)試過程中 當(dāng) 連桿進(jìn)行平行于振蕩面連接板壓縮拉 伸應(yīng)力時(shí) 垂直葉片的軸的 應(yīng)力為最大值 圖 2 此 時(shí)軸與加載表面的距離為 10 20 毫米之間 當(dāng)距離為 50 60 時(shí) 應(yīng)力迅速下降到幾乎 為零 當(dāng)加 載面接拉伸應(yīng) 力接近減小到零時(shí) 改變其符號(hào) 計(jì)做壓縮應(yīng)力 對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了測(cè)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(duì)連桿葉片應(yīng)力有影響 這些試驗(yàn)是在具有不同壁 厚 切斷較小一端 切斷凸緣 并在平面 標(biāo)準(zhǔn)連桿上 進(jìn)行的 該試驗(yàn)表明 小頭端的壁厚和作用在其內(nèi)部的載荷以及性質(zhì) 對(duì)連接桿葉片 的拉伸應(yīng)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(duì)于 拉伸應(yīng)力幾乎沒有影響 并且可以在分析過程中忽略不計(jì) 這使得分析模型簡單 了很多 為了進(jìn)行針對(duì)性的分析 工字鋼被假定沿邊緣連接到一個(gè)半無限大的鋼板 上 帶自由縱向邊緣 這個(gè)系 統(tǒng)經(jīng)受的張力 彎曲力 在較小的一端下部 和負(fù)載 是通過縱向軸線對(duì)稱來施加的 這是假設(shè)的鋼筋橫截面的主軸 是在一個(gè)平面上所進(jìn)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(gè)更簡單的模型方 程的無限系統(tǒng)形式下進(jìn)行了分析 圖 4 這個(gè)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(dòng)機(jī)連桿的初始設(shè)計(jì) 一 和現(xiàn)代化的設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)參數(shù) E v 是彈性模量和泊松系數(shù)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(yīng)力的函數(shù) 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(diǎn) 和直徑為 3 毫米的滾子 三角形 裝在 連桿葉片時(shí)的局部應(yīng)力 1 標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 點(diǎn)線是根據(jù)分析數(shù)據(jù) 如果假定在板的邊緣分布平穩(wěn)增強(qiáng)的垂直法向力這 并且在間隔為 a x 就可以用傅里葉級(jí)數(shù)定義 5 其中 Q 為總 的力的相應(yīng) 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(fù)載的不均勻分布造成的 對(duì)應(yīng)于均衡的附加應(yīng)力和變形負(fù)載 Q x 的公式中的 組成部分 方程 5 Q 2b2l 是傅里葉級(jí)數(shù) 得出均勻分布的壓應(yīng)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(dāng)分析一個(gè)集中荷載情況下施加在點(diǎn) x y 0 的時(shí)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(yīng)力和小頭端壁厚度 h 的關(guān)系 圖 4 分析模型來確定 設(shè)立在壓縮過程中的連桿葉片的應(yīng)力 當(dāng)解決邊界值問題 1 可以看出 正常的應(yīng)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(yīng)力沒有任何變化 通 過小尺寸 2 升 狹窄 材料傳送 并且進(jìn)一步假設(shè)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(yīng)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(dǎo)解析為當(dāng)集中負(fù)荷 q 被施加到坐標(biāo)原點(diǎn)的情況下 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)完全一致 正如所預(yù)期的 在這種情況下的最大應(yīng)力是沿直線 x 0 時(shí) 上述程序是在明斯克 22M 電子數(shù)字計(jì)算機(jī)和專業(yè)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的 該結(jié) 果是通過最小二進(jìn)制 以建立 實(shí)際方程 見表 1 和圖 6 用于計(jì)算最大局部應(yīng)力 附近的小頭端的連桿葉片的應(yīng)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(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)的方程組的分析 值的對(duì)比表明 在方程中的誤 差不超過 10 分析和實(shí)驗(yàn)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(yīng)力 這時(shí)油孔要作為一個(gè)集中器去應(yīng)對(duì)這樣大的壓力 因此 裂 紋總是從鉆孔開始 從而拉伸 應(yīng)力最大的區(qū)域裂縫的地方也是從這里開始的 相 對(duì)于疲勞強(qiáng)度 n 對(duì)于此區(qū)域的因素很大程度上取決于尺寸 H 當(dāng) h 4 6 毫米 n 1 05 當(dāng) h 7 毫米 n 1 51 由于尺寸 h 沒有在生 產(chǎn)過程中適當(dāng)?shù)目刂?它在 范圍內(nèi)變化 從 4 6 到 7 參 見圖 3 時(shí) 并 導(dǎo)致了隨機(jī)缺陷 為了減少拉伸應(yīng)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(shù)與疲勞強(qiáng)度的 n 1 6 對(duì)這些步驟的有效性進(jìn)行比較驗(yàn)證 得出了連桿測(cè)試抗壓載荷作用下 這種 類型的加載導(dǎo)致連桿拉伸應(yīng)力故障和使用壽命減小 注 v 是奧爾森系數(shù) 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(shù)中 S 表示連接桿的橫截面面積 p k 參照?qǐng)D 6 是負(fù)載 分配系數(shù) 如果存在集中載荷 p k 1 圖 5 表示在點(diǎn) x y 0 的一個(gè)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(cè)緣片 二 與板橫向自由邊緣 為了保證壓縮負(fù)載的機(jī)械傳動(dòng) 小頭端是由直徑為 56 毫米針的裝置加載 循環(huán)參數(shù) 幅度 17 5 萬噸 重負(fù)載 27 5 噸 一般都是以這參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn) 原 連桿連接的失敗 在不到 10 周期內(nèi)的故障期間 測(cè)試 和實(shí)際服務(wù)的性質(zhì)是相同 的 圖 6 為的系數(shù)分布 p k 見表 1 為 測(cè)試是用三種常用的連桿和三個(gè)原型連桿來進(jìn)行的 第一組在 0 24 106 0 43 106 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(yàn) 在上述測(cè)試中連桿在接受系列生產(chǎn)和早期的缺陷修復(fù)的基礎(chǔ)上 所有缺陷 完全消除了 對(duì)于連桿大頭處連接板裂縫 在開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí) 為了降低和穩(wěn)定油耗 要將連桿振蕩設(shè)置在所述氣缸體的插槽中 這就需在連桿大頭設(shè)計(jì)時(shí) 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(shè)計(jì)的連桿通過比較來測(cè)試震動(dòng) 應(yīng)用循環(huán)荷載的參考值和性質(zhì)的基 礎(chǔ)上決定進(jìn)行大的兩端應(yīng)應(yīng)變片測(cè)量 應(yīng)變儀測(cè)量結(jié)果表明 在壓縮過程中張力的實(shí)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(shè)計(jì)連 桿的應(yīng)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(shè)計(jì)中 參見圖 1b 這些振幅參數(shù)相 對(duì)于安全值 相對(duì)于疲勞強(qiáng)度 的 4 3 和 3 85 的應(yīng)力分別偏低 當(dāng)然在連桿上有 比較大的端部的條件下 應(yīng) 力會(huì)產(chǎn)生很小的差別這是可能的 只有通過在相當(dāng)高 的負(fù)載水平進(jìn)行測(cè)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(yàn)要在以下的負(fù) 荷值中進(jìn)行 a 用于拉伸試驗(yàn) 基數(shù)為 10 萬次 的載 荷分別為 Qtmax 7 6 噸 Qtmin 1 時(shí)噸 b 用于 壓縮試驗(yàn) 基座 5 萬次 的負(fù)載 是 Qtmax 70 噸 Qcmin 4 噸 這些值相當(dāng)于就連接桿的 500 過載 成為最大 負(fù)荷 初步分析來估計(jì)這種重載的連桿和大端其他的各種因素產(chǎn)生的可能影響 在連接桿葉片的凸緣壓縮過程中應(yīng)變計(jì)測(cè)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(dǎo)致疲勞裂紋 然而 在 實(shí)際的服務(wù)中這樣的裂紋不會(huì)發(fā)展為應(yīng)力 它的數(shù)值在此區(qū)域不超過 950 千克 每平方厘米 在所選擇的兩個(gè)相同基準(zhǔn)值的連桿設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)中表明 有在端井沒有缺 陷 因此 現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)是為發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)所提供的 試驗(yàn)后的在檢查其中一臺(tái) 發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí) 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(duì)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(shè)計(jì) 使它不會(huì)對(duì)表面損傷產(chǎn)生敏感性 一個(gè) 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(qiáng)度 為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種可能性方案 又在兩個(gè)不同的連接桿上進(jìn)行了壽命試 驗(yàn) 第一 階段測(cè)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(chǎn)生裂紋 在拉伸和壓縮 四個(gè)樣品負(fù)載類型相同 循環(huán)測(cè)試 中表明 氮化設(shè)計(jì)是令人滿 意的 試驗(yàn)的第二階段是確定滲氮對(duì)凹痕敏感性有無影響 試驗(yàn)進(jìn)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(huì)導(dǎo)致的凹陷區(qū)的 拉伸應(yīng)力增大 在這兩種方式都會(huì)使連桿在凹陷區(qū)形成裂紋 然而 氮化的 連桿 會(huì)在 1 5 106 內(nèi)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(cè)試 證明被氮化過的連桿 裂 縫不會(huì)在凹陷區(qū)出現(xiàn) 能 夠進(jìn)行批 量生產(chǎn)和長期使用