新工科理念下發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張初旭

摘要：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低質(zhì)量、較小體積，使其更加輕便、靈活;并對(duì)設(shè)計(jì)的模型利用ANSYS Workbench進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺寸調(diào)整。

關(guān)鍵詞：活塞連桿機(jī)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);ANSYS Workbench

0? 引言

傳統(tǒng)的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑為95mm，活塞連桿體積較大，質(zhì)量較重，運(yùn)動(dòng)不靈活，并噪聲較大;因此，本文為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和體積，減少震動(dòng)和噪音，設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭直徑為65mm;為了減小質(zhì)量，降低空間，將活塞連桿設(shè)計(jì)成一體化。為了保證設(shè)計(jì)出的活塞連桿機(jī)構(gòu)滿足應(yīng)力、應(yīng)變需求，利用有限元軟件[1]，分析了應(yīng)力、應(yīng)變，并繪制應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，便于觀察活塞連桿機(jī)構(gòu)的變化情況，檢驗(yàn)滿足應(yīng)力、應(yīng)變要求。

1? 曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使質(zhì)量輕便，將活塞與連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一體化，且活塞直徑設(shè)計(jì)成60mm;曲柄連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)如下：

活塞直徑：65mm，活塞頂部高度為12.1mm，厚度為5mm，活塞高度為32.5mm，連桿長(zhǎng)度為253.5mm。

根據(jù)參數(shù)，利用UG軟件的建模命令，可完成單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞連桿體、曲柄等零件的三維建模。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 模型假設(shè)

活塞連桿體主要設(shè)計(jì)尺寸包括活塞半徑d1，活塞頭部長(zhǎng)度l1，連桿桿身的長(zhǎng)度l2，連桿寬度w1，瓦軸長(zhǎng)度l3，瓦軸寬度d2，連桿曲軸直徑d3，還有連桿工字形斷面尺寸Hg和Bg。在ANSYS Workbench中建立活塞連桿體的三維模型時(shí)，僅考慮包括活塞半徑d1，活塞頭部長(zhǎng)度l1，連桿桿身的長(zhǎng)度l2，連桿寬度w1，瓦軸長(zhǎng)度l3，瓦軸寬度d2，連桿曲軸直徑d3。假設(shè)連桿工字形斷面尺寸Hg和Bg保持建模時(shí)設(shè)定的初始值不變。連桿桿身平均斷面積取活塞面積的2-3.5%。

2.2 設(shè)計(jì)變量

2.3 目標(biāo)函數(shù)

設(shè)計(jì)變量選好以后，以體積為目標(biāo)函數(shù)（求最小值，使用材料最?。?，建立活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型。

如表2所示，活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后的尺寸數(shù)值對(duì)比。活塞連桿在滿足強(qiáng)度和剛度要求的情況下可以在更小尺寸時(shí)承受同樣的作用力。

活塞連桿優(yōu)化前后圖形對(duì)比如圖1所示。

從優(yōu)化結(jié)果分析可知：當(dāng)活塞連桿機(jī)構(gòu)受到的力保持不變時(shí)，活塞連桿的體積由原來的31592mm3，減小為28439mm3，減少了9.98%;質(zhì)量由0.97306kg，變小為0.83199kg，減小了14.5%?；钊B桿體可以在該尺寸的情況下滿足剛強(qiáng)度要求。減輕其體積可以減少原材料的浪費(fèi)、降低成本、對(duì)提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力有重要的實(shí)際意義。

2.4 強(qiáng)度校核

2.4.1 活塞連桿最大壓縮工況結(jié)果分析

通過ANSYS優(yōu)化后，活塞連桿體最大壓縮工況應(yīng)力、位移如圖2和圖3所示。

圖2、圖3分別為連桿優(yōu)化后的壓縮工況下的應(yīng)力和位移圖，其中，從圖2、圖3中可以看出，在最大壓縮工況下，優(yōu)化后連桿的最大應(yīng)力值47.6MPa，最大應(yīng)變值為6.72×10-5m，最大位移為6.24×10-6m。與優(yōu)化前最大應(yīng)力值3.58MPa，最大應(yīng)變值為5.07×10-5m，最大位移值5.77×10-6相比，最大應(yīng)力值24.8%，最大位移增大7.5%，由于活塞連桿體體積減小了9.98%，質(zhì)量約有0.14kg的減少量，應(yīng)力、位移變化有所增加，但鋁合金材料的屈服強(qiáng)度為270MPa，因此滿足強(qiáng)度要求。

2.4.2 活塞連桿最大拉伸工況結(jié)果分析

通過ANSYS優(yōu)化后，活塞連桿體最大拉伸工況應(yīng)力、應(yīng)變、位移如圖4和圖5所示。

圖4、圖5分別為連桿優(yōu)化后的拉伸工況下的應(yīng)力和位移圖，其中，從圖4、圖5中可以看出，在最大拉伸工況下，優(yōu)化后連桿的最大應(yīng)力值65.3MPa，最大應(yīng)變值為9.21×10-5m，最大位移為8.55×10-6m。與優(yōu)化前最大應(yīng)力值4.9MPa，最大應(yīng)變值為6.94×10-5m，最大位移值7.9×10-6相比，最大應(yīng)力值24.9%，最大位移增大7.6%，應(yīng)力、位移變化有所增加，但滿足強(qiáng)度要求。

3? 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于UG建立實(shí)體三維模型，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析;再對(duì)165曲柄連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于ANSYS Workbench優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，通過迭代，得到最佳優(yōu)化方案。活塞連桿的體積由原來的31592mm3，減小為28439mm3，減少了9.98%;質(zhì)量由0.97306kg，變小為0.83199kg，減小了14.5%，并滿足強(qiáng)度要求。減輕其體積可以減少原材料的浪費(fèi)、降低成本、對(duì)提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力有重要的實(shí)際意義。

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