一种应用于快速疲劳试验的发动机主连杆载荷的简化方法与流程

本发明属于发动机部件快速疲劳试验技术领域，尤其是涉及一种应用于快速疲劳试验的发动机主连杆载荷的简化方法。

背景技术：

连杆是发动机的关键结构件，其功用是将活塞承受的缸内气体压力传递给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆作为发动机主要的受力部件，其疲劳寿命直接影响发动机的使用寿命，其破坏可能导致发动机整机的报废，甚至会危及使用者的安全。

常见的主要承受拉压载荷的连杆，其极限载荷的确定和快速疲劳试验方法已十分成熟；但是，对于结构复杂的主连杆，工作过程中不仅要承受来自对应气缸活塞的拉压载荷，还要承受来自一个或多个副连杆的弯曲载荷，其极限载荷的确定和快速疲劳试验的实现均十分困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种应用于快速疲劳试验的发动机主连杆载荷的简化方法，解决了主副连杆结构型式发动机的主连杆在发动机工作状态承受载荷十分复杂时，快速疲劳试验台无法完全真实模拟的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应用于快速疲劳试验的发动机主连杆载荷的简化方法，包括如下步骤：

1)根据运动学和动力学理论或者采用运动学和动力学计算软件，计算发动机一个工作循环内所述主连杆在每度曲轴转角时所承受的载荷；

2)采用仿真分析软件，根据上步得到的载荷，计算发动机一个工作循环内每度曲轴转角下所述主连杆的应力数据；

3)根据上步获得的应力数据，确定所述主连杆的危险部位，获得发动机一个工作循环内所述危险部位的两个极限应力，及其发生时的曲轴转角和对应的极限工作载荷；

4)采用等扭矩的方法等效合成所述主连杆所承受的来自多个副连杆的载荷为1个载荷，即将主连杆所承受载荷简化为1个来自对应气缸活塞的载荷和1个来自多个副连杆的载荷；在主连杆危险部位对应的两个极限应力不变的基础上，在一定范围内调整简化后的两个载荷大小为快速疲劳试验台易于实现的载荷；

5)根据简化后的两个载荷设计快速疲劳试验台，并采用应力测量方法标定主连杆危险部位的应力数据。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明通过多个载荷合成简化的方法解决无法进行发动机主连杆快速疲劳试验的问题；

(2)本发明通过等效方法调整作用在主连杆上的2个载荷值，调整后载荷易于在试验台实现；

(3)提供一种多个载荷合成简化的方法，可用于解决其它结构零部件类似问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述星型发动机的连杆结构示意图；

图2为本发明实施例所述主连杆所承受的9个载荷的示意图；

图3为本发明实施例所述主副连杆机构简图；

图4为本发明实施例合成简化后所述主连杆所承受的2个载荷的示意图。

图3中：

A为主连杆活塞销中心；O为曲轴回转中心；B为曲柄销中心；为曲柄半径；α为曲柄夹角；β为连杆中心线与气缸中心线间夹角；ω为曲柄回转角速度；λ为曲柄半径与连杆长度比值；r为副连杆所在主连杆的关节半径；A_f为副连杆活塞销中心；为副连杆长度；γ_f关节角；β_f副连杆摆角；γ为主副气缸中心线夹角。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例是一种应用于快速疲劳试验的发动机主连杆载荷的简化方法，以如图1所示的结构复杂的某星型发动机主连杆载荷简化过程为例，主连杆上连接有8个副连杆，图1中正中间的为主连杆，其他为副连杆。

步骤1，分析发动机工作状态中主连杆承受载荷，每度曲轴转角时均有9个，分别为来自主连杆连接活塞的载荷和8个副连杆的附加载荷；根据运动学和动力学理论或者采用运动学和动力学计算软件，通过公式计算，可获得在发动机一个工作循环内所述主连杆在每度曲轴转角时承受的9个载荷；

以下是基础公式：

主连杆活塞加速度：

a＝Rω²cosα+Rω²λcos2α (1)

副连杆活塞加速度：

a_f＝Rω²(Ecos(a_f+φ)+Fcos(2a_f-ξ)) (2)

式中：

主连杆小头沿气缸方向往复惯性力(因为，往复惯性力的大小等于运动物体的质量与其加速度的乘积，其方向则与加速度的方向相反)：

P_j＝-m_ja (3)

副连杆小头沿气缸方向往复惯性力：

P_j＝-m_ja_f (4)

主连杆小头沿气缸方向力的合成：

副连杆小头沿气缸方向力的合成：

主连杆沿杆身方向力：

P_c＝P/cosβ (7)

副连杆沿杆身方向的力：

P_fc＝P_f/cosβ_f (8)

副连杆对主连杆形成的附加弯曲力矩为：

M_B＝P_fc*r*sin(β-β_f-ψ) (9)

则主连杆主要承受沿杆身方向的力P_c及副连杆形成的8个附加弯曲力矩M_B的合力作用。

步骤2，根据上步获得的载荷和主连杆的三维实体模型，运用仿真分析软件Abaqus或Ansys Workbench等，计算所述主连杆在一个工作循环内每度曲轴转角时的应力数据；

步骤3，根据疲劳分析理论或运用疲劳分析软件fatigue等，分析上步仿真计算所得的应力数据，确定所述主连杆的危险部位，获得所述危险部位的2个极限应力，及其发生时的曲轴转角和对应的2个极限工作载荷，所述主连杆在此极限应力发生时所对应的载荷即为极限载荷；

步骤4，运用力的分解与合成理论，采用等扭矩的方法等效合成主连杆所承受的来自8个副连杆的载荷为1个载荷，即将所述主连杆承受的9个载荷(1主8副)简化为2个载荷(1主1副)，如图2、3所示；运用仿真分析软件Abqus或Ansys Workbench等，计算在此合成后的2个载荷作用下所述主连杆的应力数据，在危险部位不转移和其2个极限应力不变的基础上，根据快速疲劳试验台设计需要，在一定范围内调整合成后的2个载荷大小；

步骤5，根据调整后的2个载荷，设计主连杆快速疲劳试验台，采用电测方法测量主连杆在预定动、静态载荷下关键点的应力值，对比研究实测和步骤4计算所得应力数据，误差不大于要求范围，则该快速疲劳试验台就可用于进行所述主连杆快速疲劳试验。

本发明过程合理有效，合成简化后的载荷可以作为发动机主连杆快速疲劳试验台设计输入条件，实现主连杆快速疲劳试验。解决了主副连杆结构型式发动机的主连杆在发动机工作状态承受载荷十分复杂时，快速疲劳试验台无法完全真实模拟的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。