解决连杆小头衬套的边载问题

毛莹 黄国彧 杨杰 朱玲玉

摘要：连杆是内燃机的主要零部件之一，但由其引起的边载问题对内燃机的稳定性运行造成很大的影响，且始终未彻底解决。本文针对某机型连杆小头衬套出现的边载问题，对连杆小头衬套增加了型线的设计。通过有限元及弹性液体动力学（EHD）模拟计算，综合对比连杆小头衬套的三种不同型线的总压及干摩擦压力，最终确定能满足要求的连杆小头衬套型线。

Abstract： The connecting rod is one of the main parts of internal combustion engine， but the side load problem has a great influence on the stability of internal combustion engine， and it has not been completely solved. In view of the side load problem on the small end bushing， the design of profile is added to the small end bushing of connecting rod.The total pressure and dry friction pressure of three different types of connecting rod small end bushing are comprehensively compared by the bearing EHD calculation， and finally the type of connecting rod small end bushing that can meet the requirements is determined.

關键词：边载;衬套;型线

Key words： side load;bushing;molded lines

中图分类号：TK423.32                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0042-03

0  引言

随着内燃机技术的发展，人们对发动机的要求在追求高速化的同时，也越来越趋向于低污染、低排放，因此对发动机设计的要求也越来越高。连杆是内燃机的主要运动件之一，起到传递力和转化运动的作用[1]。随着发动机设计爆压和功率的不断提升，连杆小头衬套成为了发动机的主要易损件，其工作可靠性将直接影响发动机工作的可靠性[2]。连杆小头衬套在工作中受到冲击性的气体爆发压力和活塞连杆组惯性力的动负荷作用，需选择合适的合金材料承受最高油膜压力，同时还要有合适的油膜厚度防止金属材料之间的干摩擦[1]。但在实际开发中，在保证良好润滑的情况下，也会有衬套咬合的故障，这就是连杆小头衬套的边载造成的。 连杆小头衬套的边载会导致连杆小头衬套与活塞销之间产生干摩擦，严重的会导致捣缸，直接影响发动机的可靠性[3]。为解决边载的问题，本文提出增加连杆小头衬套的型线的方案，并通过限元及弹性液体动力学（EHD）计算，最终通过试验验证。

1  问题描述

某轻型非道路发动机耐久试验后连杆小头衬套出现边载，碳化的现象，如图1所示。本文对此连杆小头进行EHD计算校核。

2  有限元计算分析

2.1 计算模型建立

有限元模型包括连杆体、小头衬套及大头轴瓦等，大头轴瓦及小头衬套模型采用六面体网格，其余模型采用四面体二阶单元如图2所示。建立多体动力学模型，包括曲柄销和活塞销模型。连杆大头轴瓦与曲柄销之间采用NONL方式连接，连杆小头衬套与活塞销之间采用的液动润滑轴承连接。

2.2 边界条件加载

在活塞销上施加爆压载荷，主要考虑的是大扭矩转速及额定点转速下的爆压曲线，在标定爆压下大扭矩转速及额定转速下的爆压曲线分别见图3和图4。

2.3 计算结果

2.3.1 一维计算结果

大扭矩转速及额定转速工况下连杆小头衬套最大油膜总压、最大干摩擦压力及最小油膜厚度分别如图5、图6和图7所示。

2.3.2 二维计算结果

大扭矩转速及额定转速工况下，二维EHD计算结果及限值如图8、图9所示，其中最大油膜总压高达390MPa，远高于限值280MPa，不满足要求;最大干摩擦压力在边缘也达到390MPa，高于限值140MPa，此设计不满足要求。

由于总压与干摩擦压力和液动压力相关，因此干摩擦压力过大是导致总压过大的主要原因，由图8-图9可知，干摩擦主要出现在衬套90～270°之间，也就是在衬套边缘处，因此建议增加衬套型线。

提供三种衬套型线方案，如图10所示。以大扭矩转速1400r/min为例三种衬套型线方案对应的总压及干摩擦一维计算结果如图11和图12所示。总压及干摩擦二维结果如图13、图14和图15所示。原计算无型线方案及三种衬套型线方案最大油膜总压及干摩擦数值对比如表1所示。

3  结论

①原无型线的方案总压及干摩擦压力高于限值不满足设计要求。②改进方案中的方案二可以满足设计要求，可使用此方案的连杆小头衬套型线。③有限元分析结果满足设计要求后，经后期的试验验证，增加连杆小头衬套型线的连杆可以满足要求，耐久后的连杆如图16所示。

参考文献：

[1]内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]陈伯贤.连杆小头衬套的结构与设计[J].内燃机配件，1989（3）：1-9.

[3]方金梅.活塞销的连接配合与故障分析[J].农机使用与维修，2014（5）：40-43.