中 北 大 学
毕业设计任务书
学 院、系： 专 业： 学 生 姓 名： 设 计 题 目：
指 导 教 师: 系 主 任:
机电工程学院车辆与动力工程系
热能与动力工程
李春宣
学 号： 0416140118
HH471连杆改进设计及分析
冯耀南 董小瑞
2009年3月16日
开题报告填写要求
1．开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；
2．开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 7714—87《文后参考文献著录规则》的要求书写，不能有随意性；
4．学生的“学号”要写全号（如0201140102），不能只写最后2位或1位数字；
5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；
6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。
毕 业 设 计 开 题 报 告
1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 1.1 前言 在当今工业社会中，热机的应用是十分普遍的。其中，内燃机的热效率高，结构简单，比质量轻，移动方便，因此被广泛应用在交通运输，农业机械，工程机械和发电作为动力[1]。 连杆是往复式内燃机的核心零件之一，它将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆主要承受缸内气体压力和活塞组往复惯性力所产生的交变载荷。连杆的设计要求是轻巧，足够的刚度和疲劳强度，良好的机加工特性，良好的生产一致性和有竞争力的性能价格比[2].同时,连杆是发动机重要的运动部件，所以在设计时应该保证其有较长的使用寿命。 综述，在当今机械化快速发展的时代，连杆的需求量在不断增加，连杆的加工工艺水平不断的提高。这就需要设计出更多安全可靠廉价的连杆，因此连杆的设计极其改进非常重要。 1.2 连杆组的概述： 连杆组用来连接活塞组和曲轴，把活塞的直线运动变为曲轴的旋转运动，并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆组由连杆体、大头盖和连杆螺栓等组成[3]。连杆的运动情况是复杂的。连杆小头随活塞组作往复直线运动，连杆大头随曲轴的曲柄销作旋转运动，连杆杆身作往复运动和旋转运动所组成的复合运动。连杆工作时受到两种载荷：一是燃气作用力和曲柄连杆机构中往复惯性力所引起的纵向载荷；一是连杆杆身复合运动所引起的横向载荷。载荷的大小和方向都是变化的。此外，连杆装配时还造成静载荷，在小头是因压入衬套而引起；在大头引则由于拧紧连杆螺栓所起[4]。 1.3 连杆设计发展现状 1.3.1 连杆材料的现状极其发展趋势 随着内燃机向高速，大功率，低燃油消耗，低振动，低噪声等性能发展趋势要求减轻连杆的质量。因此国内外各大汽车公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。在满足性能指标的前提下，连杆的材料和制造技术关联很大，非调质钢的应用就
是考虑节省调质工序。近年来，采取裂解连杆体和连杆盖分界面技术可以大幅度地减少机械加工工序，由此开发了高强度低韧性的高碳钢非调质钢和粉末冶金锻件，以满足工艺的需要[5]。连杆用材料：1）碳素钢和合金钢 碳素调质钢和合金调质钢是连杆用钢的传统钢种，通常小功率的发动机采用碳素钢，大功率的发动机采用合金钢。2）非调质钢 非调质钢的强化机理是在中碳钢的基础上添加矾、钛、铌等微合金元素，通过控制轧制或控制锻造过程的冷却速度，使其在基本组织中弥散析出碳、氮的化合物使其得到强化。3）粉末冶金连杆 粉末冶金是集材料生产-加工技术-零件制造于一体，与其它制造技术相比，它更具有生命力。4）钛合金连杆 用钛合金制造发动机连杆主要考虑的是轻量化，金属钛的密度为4.5g/cm3，仅为钢铁材料的58%，因此用钛合金制造汽车发动机连杆，可大幅度地降低连杆的质量[6] [7]。 1.3.2 发动机连杆制造发展现状 毛坯主要的制造方法有铸造、模锻和粉末冶金，并研制和开发复合材料连杆等。1）铸造连杆：铸造连杆材料多为珠光体可锻铸铁。为提高连杆疲劳强度，要对铸造连杆进行喷丸处理。铸造连杆具有设计灵活，尺寸接近连杆成品尺寸，加工性能好，工作可靠以及成本低等优点。2）模锻连杆：性能可靠，检验手段比铸造连杆简单。现在，模锻连杆可在自动模锻线上进行大批量生产。模锻连杆的生产方法有：a.大连杆的单件模锻；b.双件直线布置连杆的整体或分体模锻；c.双件并列布置的整体或分体模锻。3）粉末冶金连杆：在各种材料的连杆中，粉末冶金连杆在硬度、耐磨性和强度方面居于优势。粉末冶金连杆生产的工艺过程大致如下：预成型在1050～1300℃的输送带式炉里烧结后，在立式感应加热设备上重新加热进行模锻，然后在通保护气氛的冷却段上冷却。4）复合材料连杆:目前研究开发的复合材料连杆有钢纤维增强铝连杆—FRM连杆、陶瓷纤维增强铝连杆、碳纤维增强塑料连杆—CFK连杆[8]。 另外,在一些连杆局部采用一些改进优化的技术,比如连杆连大头分离面的涨断工艺取消连杆分离面的加工,改善连杆总成大头孔变形,减少连杆生产设备投资,生产面积及制造费用,是连杆制造工艺的发展方向 [9] 。 1.3.3连杆的设计现状 连杆在设计时必须首先保证有足够的疲劳强度和结构强度。若疲劳强度不足，往往会造成连杆杆身或 连杆螺栓断裂，进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足，就会造成杆身弯曲变形及连杆大头的失圆变形，这将导致活塞、气缸、轴承及曲柄销的偏磨，
加大了连杆螺栓的附加弯矩。另一方面，连杆是运动件，必须尽可能地减小它的重量。 因此，连杆设计必须从选材、结构设计及制造工艺等方面来综合考虑，采取措施[10]。连杆的结构设计主要涉及连杆的基本结构尺寸和连杆小头、连杆杆身、连杆大头、连杆螺栓等各组件的结构，以满足要求。连杆小头孔除要有足够的壁厚外，还要特别注意小头到杆身过渡的圆滑性，尽量减少这里的应力集中。连杆大头形状设计时要特别注意降低应力集中。螺栓结构设计时要降低应力集中，在装配时要按严格规定的力矩拧紧。 1.3.4连杆设计的计算方法现状 近几年来，发动机零部件有限元分析的一个特点是分析更加精确细致，特别对小型零部件开始采用非线性模型进行接触问题的分析研究。曲轴、连杆、活塞的计算己经在原来二维模型的基础上，进行三维模型的分析，充分考虑零件细节对零件应力分布或温度分布的影响[10]。基于有限元法的结构优化分析是近年CAD领域的一项重要研究课题。随着国内外汽车工业市场竞争日趋激烈，国内各厂家纷纷把当代最先进的CAD软件应用到自己的产品开发和设计中。我国发动机行业在发动机CAD方面的研究、开发也己有十多年的历史，而发动机行业的应用水平，从整体上看，和国际上全面、普遍、深入的应用趋势相比，差距却在拉大，尤其是在CAD/CAE/CAM集成研究与应用方面的工作还刚刚开始。目前国内企业所引进的高级CAD软件，大多数只是应用其三维绘图能力，使其变成了“三维子图板”，并没有针对自身产品的特点开发出专用的、效率更高、功能更完善的计算机辅助设计系统，缺乏自主开发能力[11]。 连杆组件设计的计算主要分析连杆小头、连杆杆身、连杆大头、连杆螺栓的强度计算[12]。本次设计的强度计算采用简单解析法方法计算，用这种方法时要对连杆的受力情况和几何形状都进行较大简化，因此所得应力和变形不是太精确，但其计算工作量较小。为了能较快获得一些数据去和已有可靠连杆用同样方法得到的数据进行对比，这种简单解析方法还是有一定实用价值的[13]。目前，大量采用有限元法对连杆进行设计计算，按照连杆的设计图纸，在计算机三维造型软件上进行三维实体造型。常采用的单元类型为三棱柱单元或四面体单元等参数单元，并按连杆大、小头，杆身和筋板等不同部位，取为不同厚度的单元，以建立有限元模型[14]。
参考文献： [1] 周龙保主编.内燃机学.北京：机械工业出版社.1999. [2] 辛军.高强度粉末锻造连杆的研究.内燃机学报.第26卷（2008）第5期 [3] 陈家瑞.汽车构造.北京：人民交通出版社.2005.9 [4] 车辆发动机设计 [5] 曹正﹒ 汽车发动机连杆材料的现状及发展趋势﹒汽车工艺与材料 2007.1： 7～10 [6] 庄哲峰﹒ 连杆材料的应用与发展﹒ 车用发动机﹒1991.（04）：56～58 [7] 发动机连杆用材料与工艺的发展趋势﹒ 柴油机设计与制造. 2007.1 [8] 何约洁﹒ 国外发动机连杆生产现状﹒ 内燃机﹒ 1994.（06）：7～9 [9] 连杆涨断工艺-2005汽车发动机工艺与装备国际研讨会系列(二) [10] 骆敬辉.基于Pro/M下的连杆结构分析及其性能优化设计.兰州理工大学.2007:究.2006.（7）:33~34 [11] 冯慧华，左正兴，廖日东.柴油机连杆体三维结构优化设计.机械设计.20O2.(4）:31~32 [12] 叶年业﹒ 490QBZL柴油机连杆强度与刚度分析﹒ 内燃机与动力装置. 2007.3：1～4 [13] 祝凌云，李斌.Pro/Engineer运动仿真和有限元分析.北京.人民邮电社.2004.374 [14] 张亚双，任文涛.基于Pro/E的三维参数化特征建模技术研究及应用.农机化研究.2006.（7）:33~34 [15] J.Flack,Marine Combustion Practice,Pregamo Press,1969. [16] R.S.Benson and N.D.Whitehouse,Internal Combustion Engine,1979. [17] KALPAKJAN.Manufacturing Engineering and Technology.Addiso-Wesley Publish Company ,1995. [18] Shinsaku Fukuda,Hirohito Eto.Development of fracture splitting connecting rod [J ]. JSAEReview，2002，(23):101一104.
毕 业 设 计 开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2.1 研究的问题 针对MAHLE公司所提出的新型连杆结构形式进行探索性研究，对HH471连杆进行结构改进，并对结构改进前后连杆进行CAE结构强度分析对比； 2.2 研究拟定的途径 2.2.1 建立连杆的合理特征模型 1.选择连杆的结构形式。 2.归纳连杆的几何特征。 2.2.2 基于特征的连杆参数化建模 1.按照模型本身的功能和建模的特点,将模型拆分，并分别出可反映建模的几何拓扑关系，以及创建这几个部分的实体模型基本特征尺寸。 2.创建连杆的实体模型。 3.模型创建好后，找出两种对应关系：内部标识尺寸和外部模型上各个数值之间的对应关系，以及内部标识尺寸和将要命名的外部参数之间的关系，并定义好此类特征参数。 2.2.3 对设计出的连杆进行静强度分析计算 由于连杆所受的燃气爆发压力、活塞组和自身的惯性力均作用在其摆动平面内，因此可以把连杆简化为二维的平面受力分析，运用相应的经验公式对连杆进行分析。 2.2.4完成HH471连杆结构改进 采用Pro/E软件建立连杆的三维实体模型,由于连杆盖和连杆螺栓等零件,不作为主要的考核部分,所以将连杆盖、螺栓与连杆合为体,对连杆的杆身和连杆盖圆角部分做简化处理。这种分析模型对杆身部位的应力计算是方便有效的,但却无法准确反映螺栓预紧力及各零部件之间的相互作用与影响,因此计算结果会有一定的误差,但能够近似反映连杆整体的受力情况。 2.2.5完成对结构改进前后连杆进行CAE结构强度分析对比 在计算机上用Pro/E软件建立三维实体模型。然后导入ＡＮＳＹＳ进行分析。并对结构改进前后连杆进行CAE结构强度分析对比。
毕 业 设 计 开 题 报 告
指导教师意见： 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主任： 年 月 日
