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寧波大紅鷹學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
所在學(xué)院： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院
班 級(jí)： 10機(jī)自4班
姓 名： 陳晨
學(xué) 號(hào)： 1021080405
指導(dǎo)教師： 賈建軍
合作導(dǎo)師：
2013 年 11 月 15 日
原文：
INCREASING THE FATIGUE STRENGTHG RODS USED IN AUTOMOBILE ENGINES
譯文:
提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中連接桿的疲勞強(qiáng)度
在開(kāi)發(fā)高速內(nèi)燃機(jī)汽車的設(shè)計(jì)師會(huì)遇到發(fā)動(dòng)機(jī)連接桿大小端頭容易產(chǎn)生疲勞裂紋的問(wèn)題（圖1）。
這些裂縫的產(chǎn)生，開(kāi)始是靠近連桿小端頭，然后向油孔延生，直到整個(gè)連桿發(fā)生斷裂。在另一大端頭連接板處，裂縫產(chǎn)生于組裝過(guò)程中。由于安裝螺栓的難度大，形成的凹痕，裂縫就是從這里開(kāi)始的。
根據(jù)現(xiàn)在所掌握的研究來(lái)看，能夠建立可能造成連桿裂紋原因的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)采取措施提高連桿的疲勞強(qiáng)度，并能夠消除早期的缺陷。
油孔處裂紋。可以通過(guò)進(jìn)行連桿葉片在壓力條件下的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析研究,確定連桿裂縫形成的原因。
應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，它是使用一種特殊的夾具，在連接桿靜態(tài)時(shí)通過(guò)應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行的測(cè)定。值得注意的是在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)連桿進(jìn)行平行于振蕩面連接板壓縮拉伸應(yīng)力時(shí)，垂直葉片的軸的應(yīng)力為最大值。（圖2）此時(shí)軸與加載表面的距離為10-20毫米之間，當(dāng)距離為50-60時(shí)，應(yīng)力迅速下降到幾乎為零。當(dāng)加載面接拉伸應(yīng)力接近減小到零時(shí)，改變其符號(hào)，計(jì)做壓縮應(yīng)力。
對(duì)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，制定了工字梁凸緣，通過(guò)小頭端的閉合輪廓和壁厚（圖1中尺寸H）來(lái)確定是否對(duì)連桿葉片應(yīng)力有影響。這些試驗(yàn)是在具有不同壁厚、切斷較小一端、切斷凸緣，并在平面標(biāo)準(zhǔn)連桿上進(jìn)行的。
該試驗(yàn)表明，小頭端的壁厚和作用在其內(nèi)部的載荷以及性質(zhì)，對(duì)連接桿葉片的拉伸應(yīng)力（圖2和圖3）有顯著影響。凸緣的葉片部分和小頭端的封閉輪廓對(duì)于拉伸應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響，并且可以在分析過(guò)程中忽略不計(jì)。這使得分析模型簡(jiǎn)單了很多。
為了進(jìn)行針對(duì)性的分析，工字鋼被假定沿邊緣連接到一個(gè)半無(wú)限大的鋼板上（帶自由縱向邊緣）。這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)受的張力、彎曲力（在較小的一端下部）和負(fù)載是通過(guò)縱向軸線對(duì)稱來(lái)施加的。
這是假設(shè)的鋼筋橫截面的主軸，是在一個(gè)平面上所進(jìn)行的。它被焊接到沿其軸線的連桿上。由于涉及自由縱向邊緣問(wèn)題，要解決就要在一個(gè)更簡(jiǎn)單的模型方程的無(wú)限系統(tǒng)形式下進(jìn)行了分析（圖4）。這個(gè)模型基于平面彈性理論有以下的邊界條件：
（1）
滾針軸承插入到連桿小端。
圖1發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的初始設(shè)計(jì)（一）和現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)（二）；1、加勁肋；2、裂縫；3、較低的圓角，凹陷區(qū)。
其中σx，σy，Τxy，u，v是壓力的偏轉(zhuǎn)參數(shù)，E，v是彈性模量和泊松系數(shù)單位是胡克，I，F(xiàn)和b2是一定區(qū)域面積的瞬間慣性，B的是所附連桿橫截面的厚度。
如果q（x）= q（-x），則作為應(yīng)力的函數(shù)，邊界值問(wèn)題（1）就可以很容易地解決了。
推出 （2）
代入（2）彈性理論常用公式中
（3）
并采取A = B= C =0，我們得出
（4）
圖（2）表示直徑為56毫米的針（黑點(diǎn)）和直徑為3毫米的滾子（三角形）裝在連桿葉片時(shí)的局部應(yīng)力；1、標(biāo)準(zhǔn)的連接桿；2、連桿的小頭端切斷面；3、沒(méi)有刃部的凸緣連接桿；4、平面連桿（連續(xù)線是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、點(diǎn)線是根據(jù)分析數(shù)據(jù)）。
如果假定在板的邊緣分布平穩(wěn)增強(qiáng)的垂直法向力這，并且在間隔為 -a<=x<=α,就可以用傅里葉級(jí)數(shù)定義。
(5)
（其中，Q為總的力的相應(yīng)的值），從邊界條件（1），我們得到
(6)
推出
得出
方程（4）和（6）確定的邊界值問(wèn)題（1），它們是由沿鋼筋（連桿的小頭端）外部負(fù)載的不均勻分布造成的，對(duì)應(yīng)于均衡的附加應(yīng)力和變形負(fù)載Q（x）的公式中的組成部分。方程（5）Q/2b2l是傅里葉級(jí)數(shù)，得出均勻分布的壓應(yīng)力，O =-Q/ S和UO= vQx/ ES，V0= Q（LY）/ ES在連桿上。在這些方程中S為連接連桿的截面積，L是它的長(zhǎng)度。
當(dāng)分析一個(gè)集中荷載情況下施加在點(diǎn)x= y = 0的時(shí)的情況，是要考慮值。因此，在方程（6）中有必要采取得2a =1L.
圖(3)為最大拉伸應(yīng)力和小頭端壁厚度h的關(guān)系。
圖(4)分析模型來(lái)確定設(shè)立在壓縮過(guò)程中的連桿葉片的應(yīng)力。
當(dāng)解決邊界值問(wèn)題（1）可以看出，正常的應(yīng)力的σx≠0是沿鋼筋板的縱向邊緣存在（x=±l).如果假定這些應(yīng)力沒(méi)有任何變化，通過(guò)小尺寸2升“狹窄”材料傳送并且進(jìn)一步假設(shè)下列條件是有效的連桿刀片
（7）
其中的σx，σy，Τxy由方程確定的。式子（4）和（6），能夠近似解決邊界值問(wèn)題。
應(yīng)力的理論分布σx，σy，Τxy在圖中的曲線體中現(xiàn)出來(lái)，（圖片5）。這些曲線推導(dǎo)解析為當(dāng)集中負(fù)荷q被施加到坐標(biāo)原點(diǎn)的情況下，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)完全一致。正如所預(yù)期的，在這種情況下的最大應(yīng)力是沿直線x=0時(shí)。
上述程序是在明斯克-22M?電子數(shù)字計(jì)算機(jī)和專業(yè)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。該結(jié)果是通過(guò)最小二進(jìn)制，以建立實(shí)際方程（見(jiàn)表1和圖6），用于計(jì)算最大局部應(yīng)力附近的小頭端的連桿葉片的應(yīng)力狀態(tài)，并且分析在特定的值：?xmax，σx（0，0），和σy（0，0）。從表1與應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)的方程組的分析值的對(duì)比表明，在方程中的誤差不超過(guò)10％。
分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，沿油孔處裂紋的形成是由于連接桿中氣體在氣缸中壓縮形成拉伸應(yīng)力，這時(shí)油孔要作為一個(gè)集中器去應(yīng)對(duì)這樣大的壓力，因此，裂紋總是從鉆孔開(kāi)始。從而拉伸應(yīng)力最大的區(qū)域裂縫的地方也是從這里開(kāi)始的。相對(duì)于疲勞強(qiáng)度n，對(duì)于此區(qū)域的因素很大程度上取決于尺寸H：當(dāng)h = 4.6毫米，n = 1.05;當(dāng)h = 7毫米，n = 1.51 。由于尺寸h沒(méi)有在生產(chǎn)過(guò)程中適當(dāng)?shù)目刂?，它在范圍?nèi)變化（從4.6到7 ，參見(jiàn)圖3）時(shí)，并導(dǎo)致了隨機(jī)缺陷。為了減少拉伸應(yīng)力引起的疲勞裂紋，可以增加工字鋼截面的連接板的厚度，并在其下部控制小頭端的壁厚（保持尺寸h不小于6毫米）。這些步驟使擋板的安全系數(shù)與疲勞強(qiáng)度的n＞1.6。
對(duì)這些步驟的有效性進(jìn)行比較驗(yàn)證，得出了連桿測(cè)試抗壓載荷作用下，這種類型的加載導(dǎo)致連桿拉伸應(yīng)力故障和使用壽命減小。
注：v是奧爾森系數(shù)；I，F(xiàn)是慣性和鋼筋截面面積矩（連接桿的小端）；T，F(xiàn)是無(wú)量綱的值，這些參數(shù)中S表示連接桿的橫截面面積；φp，k（參照?qǐng)D6）。是負(fù)載分配系數(shù)（如果存在集中載荷，φp，k= 1）。
（圖5）表示在點(diǎn)x= y = 0的一個(gè)集中力Q加載的鋼筋板理論分布（V=0.3，I =0.2，F(xiàn) =3.6）；a、約束的側(cè)緣片；二、與板橫向自由邊緣。
為了保證壓縮負(fù)載的機(jī)械傳動(dòng)，小頭端是由直徑為56毫米針的裝置加載。
循環(huán)參數(shù)（幅度 - 17.5萬(wàn)噸，重負(fù)載 - 27.5噸）一般都是以這參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，原連桿連接的失敗，在不到10周期內(nèi)的故障期間，測(cè)試和實(shí)際服務(wù)的性質(zhì)是相同的。
（圖6）為的系數(shù)分布φp，k（見(jiàn)表1）為
測(cè)試是用三種常用的連桿和三個(gè)原型連桿來(lái)進(jìn)行的。第一組在0.24 *106 ，0.43* 106和0.6*106的周期中都失敗了，而第二組在5*106周期循環(huán)沒(méi)有發(fā)生故障，停止試驗(yàn)。
在上述測(cè)試中連桿在接受系列生產(chǎn)和早期的缺陷修復(fù)的基礎(chǔ)上，所有缺陷完全消除了。
對(duì)于連桿大頭處連接板裂縫。在開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體時(shí)，為了降低和穩(wěn)定油耗，要將連桿振蕩設(shè)置在所述氣缸體的插槽中。這就需在連桿大頭設(shè)計(jì)時(shí)，厚度和材料（不是原來(lái)的尺寸）都要保持相同的軸承剛度（參見(jiàn)圖1b）。
兩種設(shè)計(jì)的連桿通過(guò)比較來(lái)測(cè)試震動(dòng)。應(yīng)用循環(huán)荷載的參考值和性質(zhì)的基礎(chǔ)上決定進(jìn)行大的兩端應(yīng)應(yīng)變片測(cè)量。
應(yīng)變儀測(cè)量結(jié)果表明，在壓縮過(guò)程中張力的實(shí)際體現(xiàn)是在連桿的縱向力變化上，體現(xiàn)在1120公斤/每平方厘米的初步設(shè)計(jì)連桿的應(yīng)力振幅（在中央）（參見(jiàn)圖1a ）和1250千克/每平方厘米的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)中（參見(jiàn)圖1b ）。這些振幅參數(shù)相對(duì)于安全值（相對(duì)于疲勞強(qiáng)度）的4.3和3.85.的應(yīng)力分別偏低，當(dāng)然在連桿上有比較大的端部的條件下，應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生很小的差別這是可能的，只有通過(guò)在相當(dāng)高的負(fù)載水平進(jìn)行測(cè)試，以確定其壽命的（如果有的話）差異（相比真正的循環(huán)）。因此，壽命試驗(yàn)要在以下的負(fù)荷值中進(jìn)行：a、用于拉伸試驗(yàn)（基數(shù)為10萬(wàn)次）的載荷分別為Qtmax = 7.6噸，Qtmin = 1時(shí)噸；b、用于壓縮試驗(yàn)（基座5萬(wàn)次）的負(fù)載是Qtmax = 70噸，Qcmin= 4噸。這些值相當(dāng)于就連接桿的500％過(guò)載，成為最大負(fù)荷。
初步分析來(lái)估計(jì)這種重載的連桿和大端其他的各種因素產(chǎn)生的可能影響。在連接桿葉片的凸緣壓縮過(guò)程中應(yīng)變計(jì)測(cè)量在下端的焊縫處表現(xiàn)出增加了25-30％的壓力（圖1中位置3）。因此，大的壓縮載荷都可能導(dǎo)致疲勞裂紋。然而，在實(shí)際的服務(wù)中這樣的裂紋不會(huì)發(fā)展為應(yīng)力，它的數(shù)值在此區(qū)域不超過(guò)950千克/每平方厘米。
在所選擇的兩個(gè)相同基準(zhǔn)值的連桿設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)中表明，有在端井沒(méi)有缺陷，因此，現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)是為發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)所提供的。試驗(yàn)后的在檢查其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在其大端連接板上存在疲勞裂紋。分析證明，這些裂縫是從裝配比較困難的連桿螺栓期間，鉗工對(duì)連接板雜散錘凹痕處開(kāi)始的。
這一缺陷使得有必要開(kāi)發(fā)一種設(shè)計(jì)，使它不會(huì)對(duì)表面損傷產(chǎn)生敏感性。一個(gè)合理的解決方案是，在凹陷區(qū)提供連桿葉片的表面氮化，從而消除裂紋的形成，避免降低連桿的整體額疲勞強(qiáng)度。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種可能性方案，又在兩個(gè)不同的連接桿上進(jìn)行了壽命試驗(yàn)。第一階段測(cè)試了在沒(méi)有氮化和有氮化的連接桿中，看在這過(guò)程中是否能夠避免在連接桿葉片下產(chǎn)生裂紋。在拉伸和壓縮（四個(gè)樣品負(fù)載類型相同）循環(huán)測(cè)試中表明，氮化設(shè)計(jì)是令人滿意的。
試驗(yàn)的第二階段是確定滲氮對(duì)凹痕敏感性有無(wú)影響。試驗(yàn)進(jìn)行了氮化連桿和無(wú)氮化連桿在連接凹痕處打擊。將連桿的拉力增大，這樣就會(huì)導(dǎo)致的凹陷區(qū)的拉伸應(yīng)力增大。在這兩種方式都會(huì)使連桿在凹陷區(qū)形成裂紋。然而，氮化的連桿會(huì)在1.5*106內(nèi)循環(huán)，而沒(méi)有氮化的連桿失敗后，它的周期是2*106-8*106。
基于以上測(cè)試，證明被氮化過(guò)的連桿，裂縫不會(huì)在凹陷區(qū)出現(xiàn)，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)和長(zhǎng)期使用。