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寧波大紅鷹學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 論文 外文翻譯 所在學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院 班 級 10 機自 4 班 姓 名 陳晨 學(xué) 號 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)動機中連接桿的疲勞強度 在開發(fā)高速內(nèi)燃機汽車的設(shè)計師會遇到發(fā)動機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(shù)據(jù)分析 研究 確定連桿裂縫形成的原因 應(yīng)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(yīng)力測量 進行的測定 值得注意的是在測試過程中 當(dāng)連桿進行平行于振蕩面連接板壓 縮拉伸應(yīng)力時 垂直葉片的軸的應(yīng)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(dāng)距離為 50 60 時 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 改變其符號 計做壓縮應(yīng)力 對應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)連桿上進行的 該試驗表明 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 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(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稱來施加的 這是假設(shè)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(shè)計 一 和現(xiàn)代化的設(shè)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(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 和直徑為 3 毫米的滾子 三角形 裝在連桿葉片時的局部應(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)線是基于實驗數(shù)據(jù) 點線是根據(jù)分 析數(shù)據(jù) 如果假定在板的邊緣分布平穩(wěn)增強的垂直法向力這 并且在間隔為 a x 就可以用傅里葉級數(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(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)原點的情況下 與實驗數(shù)據(jù)會完 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 上述程序是在明斯克 22M 電子數(shù)字計算機和專業(yè)計算機上進行的 該結(jié) 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(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)變計數(shù)據(jù)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(yīng)力 這時油孔要作為一個集中器去應(yīng)對這樣大的壓力 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(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?制 它在范圍內(nèi)變化 從 4 6 到 7 參見圖 3 時 并導(dǎo)致了隨機缺陷 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(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 參照圖 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 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(cè)緣片 二 與板橫向自由邊緣 為了保證壓縮負(fù)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(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 測試和實際服務(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(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(shè)置在所述氣缸體的插槽中 這就需在連桿大頭設(shè)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(shè)計的連桿通過比較來測試震動 應(yīng)用循環(huán)荷載的參考值和性質(zhì)的基 礎(chǔ)上決定進行大的兩端應(yīng)應(yīng)變片測量 應(yīng)變儀測量結(jié)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(shè)計連桿的應(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)計中 參見圖 1b 這些振幅 參數(shù)相對于安全值 相對于疲勞強度 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(fù)荷值中進行 a 用于拉伸試驗 基數(shù)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(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(dǎo)致疲勞裂紋 然而 在實際的服務(wù)中這樣的裂紋不會發(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 在所選擇的兩個相同基準(zhǔn)值的連桿設(shè)計壽命試驗中表明 有在端井沒有缺 陷 因此 現(xiàn)代化的設(shè)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(shè)計 使它不會對表面損傷產(chǎn)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(chǎn)生裂紋 在拉伸和壓縮 四個樣品負(fù)載類型相同 循環(huán) 測試中表明 氮化設(shè)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(dǎo)致的凹陷區(qū) 的拉伸應(yīng)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(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(chǎn)和長期使用