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寧波大紅鷹學院
畢業(yè)設計（論文）外文翻譯
所在學院： 機械與電氣工程學院
班 級： 10機自4班
姓 名： 陳晨
學 號： 1021080405
指導教師： 賈建軍
合作導師：
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)動機中連接桿的疲勞強度
在開發(fā)高速內(nèi)燃機汽車的設計師會遇到發(fā)動機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。通過相關數(shù)據(jù)采取措施提高連桿的疲勞強度，并能夠消除早期的缺陷。
油孔處裂紋?？梢酝ㄟ^進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)時通過應力測量進行的測定。值得注意的是在測試過程中，當連桿進行平行于振蕩面連接板壓縮拉伸應力時，垂直葉片的軸的應力為最大值。（圖2）此時軸與加載表面的距離為10-20毫米之間，當距離為50-60時，應力迅速下降到幾乎為零。當加載面接拉伸應力接近減小到零時，改變其符號，計做壓縮應力。
對應變計進行了測試，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，并在平面標準連桿上進行的。
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）和負載是通過縱向軸線對稱來施加的。
這是假設的鋼筋橫截面的主軸，是在一個平面上所進行的。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)動機連桿的初始設計（一）和現(xiàn)代化的設計（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）和直徑為3毫米的滾子（三角形）裝在連桿葉片時的局部應力；1、標準的連接桿；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）外部負載的不均勻分布造成的，對應于均衡的附加應力和變形負載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。
當分析一個集中荷載情況下施加在點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)為最大拉伸應力和小頭端壁厚度h的關系。
圖(4)分析模型來確定設立在壓縮過程中的連桿葉片的應力。
當解決邊界值問題（1）可以看出，正常的應力的σx≠0是沿鋼筋板的縱向邊緣存在（x=±l).如果假定這些應力沒有任何變化，通過小尺寸2升“狹窄”材料傳送并且進一步假設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）。這些曲線推導解析為當集中負荷q被施加到坐標原點的情況下，與實驗數(shù)據(jù)會完全一致。正如所預期的，在這種情況下的最大應力是沿直線x=0時。
上述程序是在明斯克-22M?電子數(shù)字計算機和專業(yè)計算機上進行的。該結(jié)果是通過最小二進制，以建立實際方程（見表1和圖6），用于計算最大局部應力附近的小頭端的連桿葉片的應力狀態(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力，這時油孔要作為一個集中器去應對這樣大的壓力，因此，裂紋總是從鉆孔開始。從而拉伸應力最大的區(qū)域裂縫的地方也是從這里開始的。相對于疲勞強度n，對于此區(qū)域的因素很大程度上取決于尺寸H：當h = 4.6毫米，n = 1.05;當h = 7毫米，n = 1.51 。由于尺寸h沒有在生產(chǎn)過程中適當?shù)目刂?，它在范圍?nèi)變化（從4.6到7 ，參見圖3）時，并導致了隨機缺陷。為了減少拉伸應力引起的疲勞裂紋，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)與疲勞強度的n＞1.6。
對這些步驟的有效性進行比較驗證，得出了連桿測試抗壓載荷作用下，這種類型的加載導致連桿拉伸應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）。是負載分配系數(shù)（如果存在集中載荷，φp，k= 1）。
（圖5）表示在點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。
為了保證壓縮負載的機械傳動，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，重負載 - 27.5噸）一般都是以這參數(shù)為標準，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)和早期的缺陷修復的基礎上，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)動機缸體時，為了降低和穩(wěn)定油耗，要將連桿振蕩設置在所述氣缸體的插槽中。這就需在連桿大頭設計時，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）。
兩種設計的連桿通過比較來測試震動。應用循環(huán)荷載的參考值和性質(zhì)的基礎上決定進行大的兩端應應變片測量。
應變儀測量結(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計連桿的應力振幅（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（相對于疲勞強度）的4.3和3.85.的應力分別偏低，當然在連桿上有比較大的端部的條件下，應力會產(chǎn)生很小的差別這是可能的，只有通過在相當高的負載水平進行測試，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荷值中進行：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）的負載是Qtmax = 70噸，Qcmin= 4噸。這些值相當于就連接桿的500％過載，成為最大負荷。
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致疲勞裂紋。然而，在實際的服務中這樣的裂紋不會發(fā)展為應力，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值的連桿設計壽命試驗中表明，有在端井沒有缺陷，因此，現(xiàn)代化的設計是為發(fā)動機的樣機所提供的。試驗后的在檢查其中一臺發(fā)動機時，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度。
為了進一步驗證這種可能性方案，又在兩個不同的連接桿上進行了壽命試驗。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（四個樣品負載類型相同）循環(huán)測試中表明，氮化設計是令人滿意的。
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，這樣就會導致的凹陷區(qū)的拉伸應力增大。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)，能夠進行批量生產(chǎn)和長期使用。