連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要零件，它把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作過程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過盈及螺栓預(yù)緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發(fā)壓力及慣性力）的作用，工作條件比較苛刻。現(xiàn)代汽車向著環(huán)保節(jié)能方向的發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在滿足強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上，應(yīng)具有尺寸小、重量輕的特點(diǎn)。本文應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)新設(shè)計(jì)的某機(jī)型連桿進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核。

    1、連桿的三維有限元模型

    連桿的三維幾何模型來自CAD軟件PRO/E，采用MSC/PATRAN建立有限元模型，利用ABAQUS進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析。該計(jì)算所包括的零件有：連桿、連桿蓋、連桿螺栓、連桿螺母、活塞銷、曲軸連桿軸頸、連桿大頭軸瓦。采用計(jì)算精度較高的六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共分為24204個(gè)節(jié)點(diǎn)，17258個(gè)單元。圖1為有限元模型。

圖1連桿有限元模型

    實(shí)際過程中，由于在較大的螺栓預(yù)緊力的約束下，連桿與連桿蓋在整個(gè)分析過程中均處于接觸狀態(tài)，因此這里對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將連桿與連桿蓋在實(shí)際的建模分析中合為一體，而不影響最終的結(jié)果。同樣，螺栓連桿與連桿螺母也合為一體。

    在建立兩個(gè)軸模型時(shí)，該計(jì)算取大軸和小軸的半徑分別小于相應(yīng)軸瓦半徑0.35mm和0.30mm。考慮到實(shí)際工程中軸瓦在過盈變形后雖然半徑變小但仍不足以對(duì)軸產(chǎn)生裝配應(yīng)力，上述模型尺寸可避免軸與軸瓦間裝配應(yīng)力的出現(xiàn)。

    2、計(jì)算過程

    ABAQUS軟件是當(dāng)今世界上較為通用的非線性計(jì)算分析軟件。

    本計(jì)算中主要涉及的非線性過程主要包括螺栓預(yù)緊和軸瓦過盈。

    ABAQUS在計(jì)算分析中采用計(jì)算步（step）的概念，計(jì)算按實(shí)際工況過程主要分為四個(gè)主要步驟。

    2.1 施加螺栓預(yù)緊力

    首先，在各螺栓頭、螺母與連桿蓋、連桿相接觸的地方定義接觸對(duì)；通過ABAQUS中專為模擬螺栓預(yù)緊提供的模型（*Pre-tension section）在每個(gè)螺栓中建立一個(gè)預(yù)緊面；最后在每個(gè)預(yù)緊面模型的參考點(diǎn)施加55kn的預(yù)緊力約束。

    2.2 軸瓦過盈

    首先，在軸瓦與連桿（或連桿蓋）相接觸的地方定義接觸對(duì)；通過*Clearance定義尺寸過盈量（注：value值為負(fù)代表過盈，正代表間隙）。

    2.3~2.4分別施加慣性力（拉力）和爆炸壓力載荷

    在這兩個(gè)過程中，力通過小軸施加在連桿上，而約束限定在大軸上。由于軸與軸瓦之間存在著間隙，因此在這一過程中會(huì)有產(chǎn)生自由剛體運(yùn)動(dòng)的瞬間，這在有限元的靜力分析中會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不收斂而無法進(jìn)行。解決的方法是在小軸和連桿上分別引入彈簧約束，只要選擇較小的彈簧剛度系數(shù)，則既可限制自由剛體運(yùn)動(dòng)，又不會(huì)使最終結(jié)果產(chǎn)生大的誤差。

    3、計(jì)算結(jié)果及分析

    3.1連桿應(yīng)力與疲勞安全系數(shù)

    由于連桿是在交變載荷下工作，采用以下公式計(jì)算其疲勞安全系數(shù)：

圖2連桿在裝配與拉伸載荷作用下應(yīng)力分布

    連桿應(yīng)力見圖2、3。最小疲勞安全系數(shù)見表2。

圖3連桿在裝配與氣體爆發(fā)壓力載荷作用下應(yīng)力分布#p#分頁標(biāo)題#e#

    桿桿身與連桿大端的過渡區(qū)
    2.1
 
    連桿桿身與連桿小端的過渡區(qū)
    2.3
 
    連桿桿身與螺栓頭附近的過渡區(qū)
     2.3
 
    連桿桿身與螺母附近的過渡區(qū)
     2.3
 
    連桿小端的油孔
     2.5

    3.2 連桿桿身大頭與連桿蓋結(jié)合面處的接觸壓力

圖4 在裝配與拉伸載荷作用下連桿桿身大頭與連桿蓋結(jié)合面處的接觸壓力

    圖4為第一種方案連桿桿身與連桿蓋結(jié)合面處在裝配載荷+拉伸載荷下的法向應(yīng)力分布，圖為5第一種方案連桿桿身與連桿蓋結(jié)合面處在裝配載荷+壓縮載荷下的法向應(yīng)力分布，圖中的紅色區(qū)域表示失去接觸。

圖5 在裝配與氣體爆發(fā)壓力載荷作用下連桿桿身大頭與連桿蓋結(jié)合面處的接觸壓力

從圖上可以看出，連桿軸瓦與連桿大頭的接觸壓力大部分面積都大于100Mpa。所以，在連桿工作載荷下，連桿軸瓦與連桿大頭不會(huì)分離。

圖6為連桿軸瓦與連桿大頭在裝配載荷+拉伸載荷下的壓應(yīng)力分布

    圖6為連桿軸瓦與連桿大頭在裝配載荷+拉伸載荷下的壓應(yīng)力分布圖

    4、結(jié)論 

    1)采用42CrMoA設(shè)計(jì)的連桿, 可以滿足其設(shè)計(jì)工況。 
    2)在連桿工作載荷下，連桿桿身與連桿蓋結(jié)合面處在所有工作載荷下的法向應(yīng)力基本上都大于0Mpa，不會(huì)分離。 
    3)連桿大端孔處的變形在允許范圍內(nèi)。