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星形活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于具有單位體積功率大、比重量輕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是航空教練機(jī)及個(gè)人用小型飛機(jī)、競(jìng)技飛機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置之一。該發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)主要承力零部件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求較高。某型九缸航空星形活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作如圖1所示，其主連桿作為主要的功率輸出和受力部件，疲勞強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。
傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，對(duì)主連桿桿身強(qiáng)度分析主要考慮兩個(gè)工況：即桿身最大拉應(yīng)力工況最大爆發(fā)壓應(yīng)力工況。最大拉伸應(yīng)力發(fā)生在出力最大往復(fù)慣性力時(shí)，即在排氣過(guò)程的上止點(diǎn)附近；最大爆發(fā)壓應(yīng)力發(fā)生在做功沖程中出現(xiàn)最大燃今作用力時(shí)，一般認(rèn)為是在壓縮過(guò)程的上止點(diǎn)。活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主連桿受力更為復(fù)雜，其主副連桿機(jī)構(gòu)上氣缸數(shù)較多(一般為5，7，9等奇數(shù))，副缸的作用將在主連桿上合成一個(gè)彎矩。由于該彎矩的方向在一個(gè)工作循環(huán)過(guò)程中方向會(huì)改變兩次，因此主連桿承受交變疲勞載荷。若連桿設(shè)計(jì)或加工不當(dāng)則可能導(dǎo)致主連桿桿身發(fā)生疲勞失效。星形活塞發(fā)動(dòng)機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的受力和運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜、由于主連桿與曲柄銷(xiāo)及活塞銷(xiāo)之間的運(yùn)動(dòng)副及副連桿與主連桿之間的運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成多個(gè)接觸邊界，計(jì)算時(shí)不易處理。主連桿的受力除了來(lái)自副連桿的作用外，還有自身的旋轉(zhuǎn)慣性載荷和往復(fù)慣性載荷。本文針對(duì)某型號(hào)九缸航空星形活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，主連桿桿身與大頭的圓弧過(guò)渡部分發(fā)生疲勞失效問(wèn)題，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法確定主連桿承受最大附加彎矩工況，并運(yùn)用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS提供的接觸單元模擬主連桿與曲柄銷(xiāo)以及活塞銷(xiāo)之間的運(yùn)動(dòng)副，對(duì)主連桿進(jìn)行多體接觸的三維有限元FEA分析，為該型主連桿的疲勞失效原因分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。
某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)型式為九缸九連桿星形主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。圖2為主副曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖。其中，AB為主連桿，長(zhǎng)度L； CD為副連桿，長(zhǎng)度l； B為曲柄銷(xiāo)中心；C為主連桿與副連桿聯(lián)接銷(xiāo)中心；BC長(zhǎng)為副連桿凸耳半徑；OB為曲柄旋轉(zhuǎn)半徑，OB為主、副氣缸中心線夾角為關(guān)節(jié)角，本算例中a為主連桿曲柄轉(zhuǎn)角；a為副連桿曲柄轉(zhuǎn)角；乃和乃分別為為主、副連桿擺角。主連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)(三鉸鏈機(jī)構(gòu))。
連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力慣性力的大小與活塞連桿組的慣性質(zhì)量、發(fā)動(dòng)打轉(zhuǎn)速、曲柄旋轉(zhuǎn)半徑等有關(guān)。主、副連桿往復(fù)慣恒力的方向均沿氣缸軸線方向。
氣缸的爆發(fā)壓力通過(guò)活塞作用于連桿活塞頭，其大小隨時(shí)間變化，方向?yàn)闅飧纵S線方向，與缸爆發(fā)壓力。
主連桿活塞頭同時(shí)受爆發(fā)壓力、和往復(fù)慣性力，作用，其旋轉(zhuǎn)慣性力方向沿連桿軸線方向，可沿氣缸軸線進(jìn)行分解，與主連桿活塞頭類(lèi)似，副連桿活塞頭也可以作類(lèi)似處理，可得到副連桿活塞頭合力。在副連桿軸線方向上的分力作用在主連桿銷(xiāo)C處(圖2)，對(duì)主連桿大頭中心B點(diǎn)作用一力矩因此，g個(gè)副連桿對(duì)主連桿任一截面的合力矩。
圖3為一個(gè)周期內(nèi)，主連桿發(fā)生失效的截面最大彎曲應(yīng)力隨主連桿轉(zhuǎn)角a的變化曲線。由圖可知，當(dāng)主連桿轉(zhuǎn)角為283°時(shí)，主連桿上拉應(yīng)力最大，由于主連桿活塞頭氣體爆發(fā)力對(duì)主連桿產(chǎn)生壓應(yīng)力，可見(jiàn)主連桿承受的最大拉應(yīng)力主要來(lái)自附加彎矩的影響。
連桿計(jì)算的復(fù)雜性在于主連桿與副連桿、曲軸為一個(gè)非線性的彈性接觸問(wèn)題。
第2節(jié)中分析得出主連桿所受附加彎矩的箭大工況將作為有限元分析所考慮的實(shí)際工況。本文采用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS，對(duì)主連相進(jìn)行接觸邊界條件的有限元計(jì)算。
整體結(jié)構(gòu)的連桿組比較復(fù)雜，包括主連桿相身、活塞、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、活塞銷(xiāo)卡環(huán)、大頭蓋、遵桿軸瓦、襯套、螺栓、銷(xiāo)等零件。本次計(jì)算主要考庭的對(duì)象是主連桿桿身，因此在建模時(shí)，對(duì)局部結(jié)杠做了適當(dāng)簡(jiǎn)化。
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