连杆小端衬套活塞销强度分析及其影响因素

李元颖　张永亮

摘 要：通过有限元软件ANSYS建立连杆小端-衬套-活塞销三体配合的模型，针对连杆小端-衬套-活塞销在气体爆发压力作用下的强度及相关因素的影响规律进行分析，得出在最大爆发压力下衬套的最大等效应力处；在相同爆发压力下，衬套宽度，比压与衬套最大等效应力的关系；活塞销与衬套的配合间隙与最大等效应力的关系；在相同结构下，比压与最大等效应力的关系。

关键词：连杆小端-衬套-活塞销三体配合；相关因素影响规律；ANSYS

1 概述

在内燃机中活塞通过活塞销和衬套与连杆连接，以推动曲轴的转动，活塞销与衬套在内燃机运转中承受气体爆发压力以及活塞连杆组惯性力的作用，而且这些力都是周期变化的冲击性负荷，此时轴承的工作性能和可靠性严重影响着内燃机整机的工作性能。特别是近年来，内燃机日益向高速和大功率方向发展，相应地，对于轴承各个方面的性能要求也越来越高。因此，深入分析、计算连杆衬套的强度问题，特别是分析计算影响活塞销-连杆-衬套三体接触在最大爆发压力下的强度问题，以及相关因素对衬套强度的影响规律，对于提高内燃机整机工作的可靠性和延长使用寿命都具有十分重大的意义。

对于连杆衬套受气体爆发压力和惯性力作用时的应力计算，虽然其形状并不复杂，但由于连杆衬套与连杆小端过盈装配，连杆衬套又与活塞销存在接触，活塞销受惯性力和缸内爆发压力共同作用。衬套的实际应力的准确计算比较困难，传统方法相当的不准确性。有限元方法的发展为精确且全面地计算连杆衬套应力提供了条件，目前已成为计算连杆衬套应力的主要手段。

文章通过ANSYS软件为针对连杆小端-衬套-活塞销三体接触模型在气体爆发压力作用下的衬套强度及相关因素的影响规律进行了分析，旨在为高速大功率柴油机的连杆衬套设计提供参考[1]。

活塞销载荷是衬套强度计算的基础，进行连杆-衬套-活塞销三体接触分析计算时，首先要确定活塞销负荷。连杆小端与衬套过盈配合，通过活塞销与活塞连接作直线往复运动，在柴油机的整个工作过程中，处于进气冲程阶段时，连杆通过活塞销带动活塞向下运动，衬套的上部承受压力；处于排气冲程和压缩冲程阶段，连杆推动活塞向上运动，衬套的下部承受压力；处于膨胀行程阶段，燃气爆发产生的巨大压力推动活塞下行，活塞通过活塞销推动连杆向下运动，连杆再推动曲轴转动，衬套的下部承受强大的挤压力。

4 比压与衬套最大等效应力

以某柴油机为研究对象，1500rpm工况下受最大爆发压力16MPa，不考虑惯性力，分别计算了柴油机不同参数下的比压与最大等效应力，以分析衬套宽度B对比压及衬套最大等效应力的影响，以及衬套与活塞销配合间隙对衬套最大等效应力的影响。

表3所示为16MPa爆发压力下不同宽度时比压及衬套最大等效应力的计算值。图4为宽度B对比压及衬套最大等效应力的影响。计算结果表明，在相同爆发压力下，随着衬套宽度的增加，比压与衬套最大等效应力降低，二者呈线性关系。增加衬套宽度有利于提高衬套的强度。

5 结论

分析、计算连杆衬套的强度问题，特别是分析计算影响活塞销-连杆-衬套三体接触在最大爆发压力下的强度问题，以及衬套材料、规格对衬套强度的影响规律，对于连杆衬套的设计具有十分重大的意义。通过连杆衬套的强度有限元分析，得出如下结论：

（1）连杆小端-衬套-活塞销三体接触强度有限元分析结果表明，连杆小端-衬套-活塞销三体接触在施加惯性力及气体爆发压力后，衬套的最大等效应力出现在靠近连杆一侧的内壁边缘。

（2）在相同爆发压力下，随着衬套宽度的增加，比压与衬套最大等效应力降低，二者呈线性关系。增加衬套宽度有利于提高衬套的强度。

（3）随着活塞销与衬套的配合间隙的增大，由于受力面积的减小引起衬套的最大等效应力的增加，但增加幅度较小。

（4）在相同结构下随着比压的增加，衬套最大等效应力呈线性增大。

参考文献

[1]孙东印，司建明，李郁. 综述CAE技术的发展和应用[J] 现代制造技术与装备2011（02）：1-3.

[2]张保成，苏铁熊.内燃机动力学[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，冯垣洁.基于有限元的连杆衬套过盈配合分析求解[J].轴承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志强. W6170Z柴油机连杆小头有限元强度考核[J].山东内燃机，1996（03）：7-9.

作者简介：李元颖（1988-），女，山西朔州人，中北大学机械与动力工程学院，硕士研究生，主要研究方向：发动机总体技术及结构动态设计

摘 要：通过有限元软件ANSYS建立连杆小端-衬套-活塞销三体配合的模型，针对连杆小端-衬套-活塞销在气体爆发压力作用下的强度及相关因素的影响规律进行分析，得出在最大爆发压力下衬套的最大等效应力处；在相同爆发压力下，衬套宽度，比压与衬套最大等效应力的关系；活塞销与衬套的配合间隙与最大等效应力的关系；在相同结构下，比压与最大等效应力的关系。

关键词：连杆小端-衬套-活塞销三体配合；相关因素影响规律；ANSYS

1 概述

在内燃机中活塞通过活塞销和衬套与连杆连接，以推动曲轴的转动，活塞销与衬套在内燃机运转中承受气体爆发压力以及活塞连杆组惯性力的作用，而且这些力都是周期变化的冲击性负荷，此时轴承的工作性能和可靠性严重影响着内燃机整机的工作性能。特别是近年来，内燃机日益向高速和大功率方向发展，相应地，对于轴承各个方面的性能要求也越来越高。因此，深入分析、计算连杆衬套的强度问题，特别是分析计算影响活塞销-连杆-衬套三体接触在最大爆发压力下的强度问题，以及相关因素对衬套强度的影响规律，对于提高内燃机整机工作的可靠性和延长使用寿命都具有十分重大的意义。

对于连杆衬套受气体爆发压力和惯性力作用时的应力计算，虽然其形状并不复杂，但由于连杆衬套与连杆小端过盈装配，连杆衬套又与活塞销存在接触，活塞销受惯性力和缸内爆发压力共同作用。衬套的实际应力的准确计算比较困难，传统方法相当的不准确性。有限元方法的发展为精确且全面地计算连杆衬套应力提供了条件，目前已成为计算连杆衬套应力的主要手段。

文章通过ANSYS软件为针对连杆小端-衬套-活塞销三体接触模型在气体爆发压力作用下的衬套强度及相关因素的影响规律进行了分析，旨在为高速大功率柴油机的连杆衬套设计提供参考[1]。

活塞销载荷是衬套强度计算的基础，进行连杆-衬套-活塞销三体接触分析计算时，首先要确定活塞销负荷。连杆小端与衬套过盈配合，通过活塞销与活塞连接作直线往复运动，在柴油机的整个工作过程中，处于进气冲程阶段时，连杆通过活塞销带动活塞向下运动，衬套的上部承受压力；处于排气冲程和压缩冲程阶段，连杆推动活塞向上运动，衬套的下部承受压力；处于膨胀行程阶段，燃气爆发产生的巨大压力推动活塞下行，活塞通过活塞销推动连杆向下运动，连杆再推动曲轴转动，衬套的下部承受强大的挤压力。

4 比压与衬套最大等效应力

以某柴油机为研究对象，1500rpm工况下受最大爆发压力16MPa，不考虑惯性力，分别计算了柴油机不同参数下的比压与最大等效应力，以分析衬套宽度B对比压及衬套最大等效应力的影响，以及衬套与活塞销配合间隙对衬套最大等效应力的影响。

表3所示为16MPa爆发压力下不同宽度时比压及衬套最大等效应力的计算值。图4为宽度B对比压及衬套最大等效应力的影响。计算结果表明，在相同爆发压力下，随着衬套宽度的增加，比压与衬套最大等效应力降低，二者呈线性关系。增加衬套宽度有利于提高衬套的强度。

5 结论

分析、计算连杆衬套的强度问题，特别是分析计算影响活塞销-连杆-衬套三体接触在最大爆发压力下的强度问题，以及衬套材料、规格对衬套强度的影响规律，对于连杆衬套的设计具有十分重大的意义。通过连杆衬套的强度有限元分析，得出如下结论：

（1）连杆小端-衬套-活塞销三体接触强度有限元分析结果表明，连杆小端-衬套-活塞销三体接触在施加惯性力及气体爆发压力后，衬套的最大等效应力出现在靠近连杆一侧的内壁边缘。

（2）在相同爆发压力下，随着衬套宽度的增加，比压与衬套最大等效应力降低，二者呈线性关系。增加衬套宽度有利于提高衬套的强度。

（3）随着活塞销与衬套的配合间隙的增大，由于受力面积的减小引起衬套的最大等效应力的增加，但增加幅度较小。

（4）在相同结构下随着比压的增加，衬套最大等效应力呈线性增大。

参考文献

[1]孙东印，司建明，李郁. 综述CAE技术的发展和应用[J] 现代制造技术与装备2011（02）：1-3.

[2]张保成，苏铁熊.内燃机动力学[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，冯垣洁.基于有限元的连杆衬套过盈配合分析求解[J].轴承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志强. W6170Z柴油机连杆小头有限元强度考核[J].山东内燃机，1996（03）：7-9.

作者简介：李元颖（1988-），女，山西朔州人，中北大学机械与动力工程学院，硕士研究生，主要研究方向：发动机总体技术及结构动态设计

摘 要：通过有限元软件ANSYS建立连杆小端-衬套-活塞销三体配合的模型，针对连杆小端-衬套-活塞销在气体爆发压力作用下的强度及相关因素的影响规律进行分析，得出在最大爆发压力下衬套的最大等效应力处；在相同爆发压力下，衬套宽度，比压与衬套最大等效应力的关系；活塞销与衬套的配合间隙与最大等效应力的关系；在相同结构下，比压与最大等效应力的关系。

关键词：连杆小端-衬套-活塞销三体配合；相关因素影响规律；ANSYS

1 概述

在内燃机中活塞通过活塞销和衬套与连杆连接，以推动曲轴的转动，活塞销与衬套在内燃机运转中承受气体爆发压力以及活塞连杆组惯性力的作用，而且这些力都是周期变化的冲击性负荷，此时轴承的工作性能和可靠性严重影响着内燃机整机的工作性能。特别是近年来，内燃机日益向高速和大功率方向发展，相应地，对于轴承各个方面的性能要求也越来越高。因此，深入分析、计算连杆衬套的强度问题，特别是分析计算影响活塞销-连杆-衬套三体接触在最大爆发压力下的强度问题，以及相关因素对衬套强度的影响规律，对于提高内燃机整机工作的可靠性和延长使用寿命都具有十分重大的意义。

对于连杆衬套受气体爆发压力和惯性力作用时的应力计算，虽然其形状并不复杂，但由于连杆衬套与连杆小端过盈装配，连杆衬套又与活塞销存在接触，活塞销受惯性力和缸内爆发压力共同作用。衬套的实际应力的准确计算比较困难，传统方法相当的不准确性。有限元方法的发展为精确且全面地计算连杆衬套应力提供了条件，目前已成为计算连杆衬套应力的主要手段。

文章通过ANSYS软件为针对连杆小端-衬套-活塞销三体接触模型在气体爆发压力作用下的衬套强度及相关因素的影响规律进行了分析，旨在为高速大功率柴油机的连杆衬套设计提供参考[1]。

活塞销载荷是衬套强度计算的基础，进行连杆-衬套-活塞销三体接触分析计算时，首先要确定活塞销负荷。连杆小端与衬套过盈配合，通过活塞销与活塞连接作直线往复运动，在柴油机的整个工作过程中，处于进气冲程阶段时，连杆通过活塞销带动活塞向下运动，衬套的上部承受压力；处于排气冲程和压缩冲程阶段，连杆推动活塞向上运动，衬套的下部承受压力；处于膨胀行程阶段，燃气爆发产生的巨大压力推动活塞下行，活塞通过活塞销推动连杆向下运动，连杆再推动曲轴转动，衬套的下部承受强大的挤压力。

4 比压与衬套最大等效应力

以某柴油机为研究对象，1500rpm工况下受最大爆发压力16MPa，不考虑惯性力，分别计算了柴油机不同参数下的比压与最大等效应力，以分析衬套宽度B对比压及衬套最大等效应力的影响，以及衬套与活塞销配合间隙对衬套最大等效应力的影响。

表3所示为16MPa爆发压力下不同宽度时比压及衬套最大等效应力的计算值。图4为宽度B对比压及衬套最大等效应力的影响。计算结果表明，在相同爆发压力下，随着衬套宽度的增加，比压与衬套最大等效应力降低，二者呈线性关系。增加衬套宽度有利于提高衬套的强度。

5 结论

分析、计算连杆衬套的强度问题，特别是分析计算影响活塞销-连杆-衬套三体接触在最大爆发压力下的强度问题，以及衬套材料、规格对衬套强度的影响规律，对于连杆衬套的设计具有十分重大的意义。通过连杆衬套的强度有限元分析，得出如下结论：

（1）连杆小端-衬套-活塞销三体接触强度有限元分析结果表明，连杆小端-衬套-活塞销三体接触在施加惯性力及气体爆发压力后，衬套的最大等效应力出现在靠近连杆一侧的内壁边缘。

（2）在相同爆发压力下，随着衬套宽度的增加，比压与衬套最大等效应力降低，二者呈线性关系。增加衬套宽度有利于提高衬套的强度。

（3）随着活塞销与衬套的配合间隙的增大，由于受力面积的减小引起衬套的最大等效应力的增加，但增加幅度较小。

（4）在相同结构下随着比压的增加，衬套最大等效应力呈线性增大。

参考文献

[1]孙东印，司建明，李郁. 综述CAE技术的发展和应用[J] 现代制造技术与装备2011（02）：1-3.

[2]张保成，苏铁熊.内燃机动力学[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3]范校尉，樊文欣，冯垣洁.基于有限元的连杆衬套过盈配合分析求解[J].轴承，2010（11）：2-5.

[4]李俊杰，宋志强. W6170Z柴油机连杆小头有限元强度考核[J].山东内燃机，1996（03）：7-9.

作者简介：李元颖（1988-），女，山西朔州人，中北大学机械与动力工程学院，硕士研究生，主要研究方向：发动机总体技术及结构动态设计