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寧波大紅鷹學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
所在學(xué)院： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院
班 級： 10機(jī)自4班
姓 名： 陳晨
學(xué) 號： 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)動機(jī)中連接桿的疲勞強(qiáng)度
在開發(fā)高速內(nèi)燃機(jī)汽車的設(shè)計師會遇到發(fā)動機(jī)連接桿大小端頭容易產(chǎn)生疲勞裂紋的問題（圖1）。
這些裂縫的產(chǎn)生，開始是靠近連桿小端頭，然后向油孔延生，直到整個連桿發(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，裂縫就是從這里開始的。
根據(jù)現(xiàn)在所掌握的研究來看，能夠建立可能造成連桿裂紋原因的數(shù)據(jù)庫。通過相關(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?？梢酝ㄟ^進(jìn)行連桿葉片在壓力條件下的各項實驗和數(shù)據(jù)分析研究,確定連桿裂縫形成的原因。
應(yīng)力測量試驗，它是使用一種特殊的夾具，在連接桿靜態(tài)時通過應(yīng)力測量進(jìn)行的測定。值得注意的是在測試過程中，當(dāng)連桿進(jìn)行平行于振蕩面連接板壓縮拉伸應(yīng)力時，垂直葉片的軸的應(yīng)力為最大值。（圖2）此時軸與加載表面的距離為10-20毫米之間，當(dāng)距離為50-60時，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，改變其符號，計做壓縮應(yīng)力。
對應(yīng)變計進(jìn)行了測試，制定了工字梁凸緣，通過小頭端的閉合輪廓和壁厚（圖1中尺寸H）來確定是否對連桿葉片應(yīng)力有影響。這些試驗是在具有不同壁厚、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于拉伸應(yīng)力幾乎沒有影響，并且可以在分析過程中忽略不計。這使得分析模型簡單了很多。
為了進(jìn)行針對性的分析，工字鋼被假定沿邊緣連接到一個半無限大的鋼板上（帶自由縱向邊緣）。這個系統(tǒng)經(jīng)受的張力、彎曲力（在較小的一端下部）和負(fù)載是通過縱向軸線對稱來施加的。
這是假設(shè)的鋼筋橫截面的主軸，是在一個平面上所進(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題，要解決就要在一個更簡單的模型方程的無限系統(tǒng)形式下進(jìn)行了分析（圖4）。這個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)動機(jī)連桿的初始設(shè)計（一）和現(xiàn)代化的設(shè)計（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、沒有刃部的凸緣連接桿；4、平面連桿（連續(xù)線是基于實驗數(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是它的長度。
當(dāng)分析一個集中荷載情況下施加在點(diǎn)x= y = 0的時的情況，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)分析模型來確定設(shè)立在壓縮過程中的連桿葉片的應(yīng)力。
當(dāng)解決邊界值問題（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)力沒有任何變化，通過小尺寸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題。
應(yīng)力的理論分布σx，σy，Τxy在圖中的曲線體中現(xiàn)出來，（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，與實驗數(shù)據(jù)會完全一致。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。
上述程序是在明斯克-22M?電子數(shù)字計算機(jī)和專業(yè)計算機(jī)上進(jìn)行的。該結(jié)果是通過最小二進(jìn)制，以建立實際方程（見表1和圖6），用于計算最大局部應(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)變計數(shù)據(jù)的方程組的分析值的對比表明，在方程中的誤差不超過10％。
分析和實驗研究表明，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，這時油孔要作為一個集中器去應(yīng)對這樣大的壓力，因此，裂紋總是從鉆孔開始。從而拉伸應(yīng)力最大的區(qū)域裂縫的地方也是從這里開始的。相對于疲勞強(qiáng)度n，對于此區(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沒有在生產(chǎn)過程中適當(dāng)?shù)目刂疲诜秶鷥?nèi)變化（從4.6到7 ，參見圖3）時，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。
對這些步驟的有效性進(jìn)行比較驗證，得出了連桿測試抗壓載荷作用下，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（參照圖6）。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，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，測試和實際服務(wù)的性質(zhì)是相同的。
（圖6）為的系數(shù)分布φp，k（見表1）為
測試是用三種常用的連桿和三個原型連桿來進(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)沒有發(fā)生故障，停止試驗。
在上述測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。
對于連桿大頭處連接板裂縫。在開發(fā)發(fā)動機(jī)缸體時，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)計時，厚度和材料（不是原來的尺寸）都要保持相同的軸承剛度（參見圖1b）。
兩種設(shè)計的連桿通過比較來測試震動。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)變片測量。
應(yīng)變儀測量結(jié)果表明，在壓縮過程中張力的實際體現(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)計連桿的應(yīng)力振幅（在中央）（參見圖1a ）和1250千克/每平方厘米的現(xiàn)代化設(shè)計中（參見圖1b ）。這些振幅參數(shù)相對于安全值（相對于疲勞強(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)力會產(chǎn)生很小的差別這是可能的，只有通過在相當(dāng)高的負(fù)載水平進(jìn)行測試，以確定其壽命的（如果有的話）差異（相比真正的循環(huán)）。因此，壽命試驗要在以下的負(fù)荷值中進(jìn)行：a、用于拉伸試驗（基數(shù)為10萬次）的載荷分別為Qtmax = 7.6噸，Qtmin = 1時噸；b、用于壓縮試驗（基座5萬次）的負(fù)載是Qtmax = 70噸，Qcmin= 4噸。這些值相當(dāng)于就連接桿的500％過載，成為最大負(fù)荷。
初步分析來估計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程中應(yīng)變計測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，在實際的服務(wù)中這樣的裂紋不會發(fā)展為應(yīng)力，它的數(shù)值在此區(qū)域不超過950千克/每平方厘米。
在所選擇的兩個相同基準(zhǔn)值的連桿設(shè)計壽命試驗中表明，有在端井沒有缺陷，因此，現(xiàn)代化的設(shè)計是為發(fā)動機(jī)的樣機(jī)所提供的。試驗后的在檢查其中一臺發(fā)動機(jī)時，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，鉗工對連接板雜散錘凹痕處開始的。
這一缺陷使得有必要開發(fā)一種設(shè)計，使它不會對表面損傷產(chǎn)生敏感性。一個合理的解決方案是，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)一步驗證這種可能性方案，又在兩個不同的連接桿上進(jìn)行了壽命試驗。第一階段測試了在沒有氮化和有氮化的連接桿中，看在這過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（四個樣品負(fù)載類型相同）循環(huán)測試中表明，氮化設(shè)計是令人滿意的。
試驗的第二階段是確定滲氮對凹痕敏感性有無影響。試驗進(jìn)行了氮化連桿和無氮化連桿在連接凹痕處打擊。將連桿的拉力增大，這樣就會導(dǎo)致的凹陷區(qū)的拉伸應(yīng)力增大。在這兩種方式都會使連桿在凹陷區(qū)形成裂紋。然而，氮化的連桿會在1.5*106內(nèi)循環(huán)，而沒有氮化的連桿失敗后，它的周期是2*106-8*106。
基于以上測試，證明被氮化過的連桿，裂縫不會在凹陷區(qū)出現(xiàn)，能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)和長期使用。