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摘要：本文针对发动机曲柄连杆机构中的连杆运动过程中的受力问题，运用了弹性力学、塑性力学的相关知识及有限元理论，得到了连杆运动过程中的受力情况，运用了solidworks软件建模，并以ansys workbench软件为平台进行有限元的求解，得到了连杆的变形及等效应力应变，并给出合理的结构优化的建议。
关键词：发动机连杆；受力分析；有限元理论；应力应变
本文旨在确定在连杆运动时各种力的影响下，连杆的变形及应力应变情况，并对结果进行分析以便给出合理的结构优化的建议。
1.连杆的受力分析
发动机的曲柄连杆机构由活塞、活塞环、连杆及曲轴组成。汽车运行时，发动机中的活塞在气缸中做往复直线运动，曲轴绕轴线做旋转运动，而处在活塞与曲轴之间的连杆便做复杂的摆动，既有上下运动，也有左右摆动。曲柄连杆机构受力主要来自四个方面：燃烧室内气体压力、运动部件的惯性力、各个相对运动表面之间的摩擦力及外部载荷作用在机构上的反作用力（力矩）。其中，相对运动表面间的摩擦力主要取决于润滑情况、发动机结构及相对运动表面的粗糙度，工作阻力矩主要取决于受力情况。本文主要分析惯性力及燃气压力对连杆机构的影响。
在整个发动机工作循环中，虽然进排气过程气体对活塞都有阻碍作用，但是由于作用力很小，因而可忽略不计，这里主要考虑压缩和做功冲程气体阻力对活塞连杆的影响。
（1）做功冲程
发动机在做功行程时燃烧室内可燃混合气被压燃，燃烧产生的压力推动活塞下行。假设气体作用在活塞顶上的总压力为F，经活塞传给连杆时，由于连杆是偏斜的，因此将总作用力分解为F1，F2，其中F1方向垂直于汽缸壁，使活塞和气缸壁之间产生侧压力，F2方向沿着连杆，使连杆轴承、轴颈和主轴承压紧。
综上，做功行程燃烧室内燃气压力F最终表现为侧压力F1、压紧力F2，随连杆运动过程中位置变化，这几个力的大小和方向也在变化。
（2）压缩冲程
压缩行程中气体阻碍活塞运动，与做功冲程类似，气体作用在活塞上的总压力F'最终分解成侧压力F'1和压紧力F'2。他们的大小也随着曲轴位置变化而变化。
（3）惯性力
活塞在运动中由于速度的大小和方向变化，必然会产生惯性力作用，其大小与活塞组质量和加速度成正比，方向在减速运动时与和运动方向一致，加速运动时与运动方向相反。在曲柄连杆机构运动时，同时存在直线运动和圆周运动的惯性力。
i）往复直线运动
活塞在气缸内运动时其速度近似呈正弦曲线变化。到达上下止点时速度最小为零，临近中间行程时速度最大，因而当活塞从上往下运动时，前半段为加速运动，后半段为减速运动，即前半段惯性力方向向上，后半段惯性力方向向下。同理可得，当活塞向上运动时，前半段惯性力方向向下，后半段惯性力方向向上，即不管活塞向上还是向下运动，活塞在上半气缸时，惯性力方向向上，活塞处于下半气缸时，惯性力方向向下。活塞组件质量越大，曲轴转速越大，则往复直线运动的惯性力就越大，引起发动机上下振动。
ii）旋转惯性力
曲轴连杆轴颈、连杆大头和曲柄轴都绕着曲轴中心做回转运动，因此必然产生旋转惯性力。若将旋转惯性力分解为水平和竖直两个方向，则竖直方向上的力将加强竖直方向上的惯性力，水平方向的分力将产生水平方向的振动。
2.发动机连杆建模
在建模之前首先要弄清楚连杆结构及参数，连杆主要由连杆大头、连杆杆身及连杆小头组成。[1]
（1）连杆小头的结构型式 连杆小头用来装活塞销，并与活塞装在一起。为了衬套润滑，小头上一般铣有油槽，并通过衬套上的孔或者槽与衬套内表面相连通。
（2）连杆大头的结构型式 連杆大头用来连接曲轴，为了方便安装，连杆大头一般做成分开式，一般是连杆大头，一般是连杆盖，二者用螺栓连接。连杆大头切口形式有平切口和斜切口，本文研究对象为平切口连杆。
（3）杆身的结构型式 杆身通常采用“工”字形断面形状，用以提高结构强度。在有些发动机的连杆杆身上还钻有油孔，使连杆的润滑油流向连杆小头。
综上所述，选取一般连杆的参数如表1，材料属性如表2。
3.连杆静力学有限元分析[2]
在上止点附近，活塞受到的气体压力为：
D——气缸内径，D=130mm
p——燃气爆发压力，p=107pa
因此连杆受到的压力为：
S——小头接触面积，S=42×42=1764mm2
计算出p=75Mpa.最终结果如图2-4。
4.结语
本文针对发动机连杆受力问题，采用有限元方法，利用软件求解得出结果，并结合连杆的变形、应力及应变给出了合理建议。
参考文献：
[1]陈新轩.现代工程机械发动机与底盘构造[M].人民交通出版社，2002：20-38
[2] 张洪信.有限元基础理论与ANSYS11.0应用 [M].机械工业出版社，2009：129-133
作者简介：李彬（1997-），男，汉，安徽人，重庆交通大学本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化
关键词：发动机连杆；受力分析；有限元理论；应力应变
本文旨在确定在连杆运动时各种力的影响下，连杆的变形及应力应变情况，并对结果进行分析以便给出合理的结构优化的建议。
1.连杆的受力分析
发动机的曲柄连杆机构由活塞、活塞环、连杆及曲轴组成。汽车运行时，发动机中的活塞在气缸中做往复直线运动，曲轴绕轴线做旋转运动，而处在活塞与曲轴之间的连杆便做复杂的摆动，既有上下运动，也有左右摆动。曲柄连杆机构受力主要来自四个方面：燃烧室内气体压力、运动部件的惯性力、各个相对运动表面之间的摩擦力及外部载荷作用在机构上的反作用力（力矩）。其中，相对运动表面间的摩擦力主要取决于润滑情况、发动机结构及相对运动表面的粗糙度，工作阻力矩主要取决于受力情况。本文主要分析惯性力及燃气压力对连杆机构的影响。
在整个发动机工作循环中，虽然进排气过程气体对活塞都有阻碍作用，但是由于作用力很小，因而可忽略不计，这里主要考虑压缩和做功冲程气体阻力对活塞连杆的影响。
（1）做功冲程
发动机在做功行程时燃烧室内可燃混合气被压燃，燃烧产生的压力推动活塞下行。假设气体作用在活塞顶上的总压力为F，经活塞传给连杆时，由于连杆是偏斜的，因此将总作用力分解为F1，F2，其中F1方向垂直于汽缸壁，使活塞和气缸壁之间产生侧压力，F2方向沿着连杆，使连杆轴承、轴颈和主轴承压紧。
综上，做功行程燃烧室内燃气压力F最终表现为侧压力F1、压紧力F2，随连杆运动过程中位置变化，这几个力的大小和方向也在变化。
（2）压缩冲程
压缩行程中气体阻碍活塞运动，与做功冲程类似，气体作用在活塞上的总压力F'最终分解成侧压力F'1和压紧力F'2。他们的大小也随着曲轴位置变化而变化。
（3）惯性力
活塞在运动中由于速度的大小和方向变化，必然会产生惯性力作用，其大小与活塞组质量和加速度成正比，方向在减速运动时与和运动方向一致，加速运动时与运动方向相反。在曲柄连杆机构运动时，同时存在直线运动和圆周运动的惯性力。
i）往复直线运动
活塞在气缸内运动时其速度近似呈正弦曲线变化。到达上下止点时速度最小为零，临近中间行程时速度最大，因而当活塞从上往下运动时，前半段为加速运动，后半段为减速运动，即前半段惯性力方向向上，后半段惯性力方向向下。同理可得，当活塞向上运动时，前半段惯性力方向向下，后半段惯性力方向向上，即不管活塞向上还是向下运动，活塞在上半气缸时，惯性力方向向上，活塞处于下半气缸时，惯性力方向向下。活塞组件质量越大，曲轴转速越大，则往复直线运动的惯性力就越大，引起发动机上下振动。
ii）旋转惯性力
曲轴连杆轴颈、连杆大头和曲柄轴都绕着曲轴中心做回转运动，因此必然产生旋转惯性力。若将旋转惯性力分解为水平和竖直两个方向，则竖直方向上的力将加强竖直方向上的惯性力，水平方向的分力将产生水平方向的振动。
2.发动机连杆建模
在建模之前首先要弄清楚连杆结构及参数，连杆主要由连杆大头、连杆杆身及连杆小头组成。[1]
（1）连杆小头的结构型式 连杆小头用来装活塞销，并与活塞装在一起。为了衬套润滑，小头上一般铣有油槽，并通过衬套上的孔或者槽与衬套内表面相连通。
（2）连杆大头的结构型式 連杆大头用来连接曲轴，为了方便安装，连杆大头一般做成分开式，一般是连杆大头，一般是连杆盖，二者用螺栓连接。连杆大头切口形式有平切口和斜切口，本文研究对象为平切口连杆。
（3）杆身的结构型式 杆身通常采用“工”字形断面形状，用以提高结构强度。在有些发动机的连杆杆身上还钻有油孔，使连杆的润滑油流向连杆小头。
综上所述，选取一般连杆的参数如表1，材料属性如表2。
3.连杆静力学有限元分析[2]
在上止点附近，活塞受到的气体压力为：
D——气缸内径，D=130mm
p——燃气爆发压力，p=107pa
因此连杆受到的压力为：
S——小头接触面积，S=42×42=1764mm2
计算出p=75Mpa.最终结果如图2-4。
4.结语
本文针对发动机连杆受力问题，采用有限元方法，利用软件求解得出结果，并结合连杆的变形、应力及应变给出了合理建议。
参考文献：
[1]陈新轩.现代工程机械发动机与底盘构造[M].人民交通出版社，2002：20-38
[2] 张洪信.有限元基础理论与ANSYS11.0应用 [M].机械工业出版社，2009：129-133
作者简介：李彬（1997-），男，汉，安徽人，重庆交通大学本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化