改善往复引擎的运营寿命

2015年3月6日

往复式发动机广泛用于各种应用中的发电，最著名的是汽车行业。在设计过程中，重要的是要确保所有发动机的零件都可以承受高应力和负载，以最大程度地发挥运营寿命。在这里，我们分析了引擎连杆中的疲劳。

将压力变成旋转运动

当今的许多机动车都依赖于将活塞发动机作为其力量来源。在内燃机的内燃机，燃料与燃烧室中的氧化剂结合在一起。燃烧会导致气体扩展，向发动机的活塞施加压力，从而将其推出。活塞的线性运动通过连杆转换为旋转运动，该连杆将活塞连接到曲轴。这种持续的运动给连杆带来了很大的压力 - 随着发动机速度的增加，这种力变得更大。

在往复式引擎中，对每个组件进行批判性分析至关重要，因为一个部分的故障通常意味着更换整个发动机。为了优化该发动机的设计并确保长期运行寿命，我们可以分析连接杆疲劳观点。

往复式引擎的压力和疲劳

这往复活塞发动机模型的高周期疲劳基于多体动力学模块的三缸往复引擎的示例。在该发动机中，将飞轮安装在曲轴上，两端支撑组件期刊轴承。该模型还具有三组圆柱体，活塞和相同的连杆。铰链接头用于将连杆的底端连接到公共曲轴，并将活塞连接到杆的顶端。棱镜接头用于将每个圆柱体连接到活塞。

回报引擎的几何形状。
往复式发动机几何形状。

除了灵活的中央连杆外，假定发动机组件是刚性的。气缸是固定的，发动机的其他部分能够在太空中自由移动。整个发动机以1,000 rpm的速度运行，材料数据源自结构钢，该结构钢显示在210 MPa时的疲劳极限。

我们的分析始于连杆圆角中的应力史，因为在该区域中假定了几何变化引起的应力浓度。经过几次革命，发动机达到了稳态行为。在第三个周期之后，应力历史似乎在每个周期中重复自我，如下图所示。第三个主应力主导连杆的压力史，因为在此期间，该部分处于压缩状态。由于与第三个主要应力相比，第一和第二主应力很小，因此我们可以将圆角处的应力状态视为单轴。由于冯·米塞斯（Von Mises）的压力将更适合多轴加载，我们将主要应力用作Basquin关系中的幅度应力。

图说明连杆中的应力历史记录。
连杆圆角中的压力史。

以下绘图解决了连杆中的疲劳寿命预测。在这里，焦点是杆顶部附近的圆角。根据Basquin模型，预计疲劳寿命将超过25亿个周期，这显然是长时间的运营寿命。尽管在Basquin模型中未定义耐力极限，但该关系可用于将耐力应力下的疲劳寿命反对2.45亿个周期。Since the model prediction gives a greater life than the back-calculated fatigue life at the endurance limit, we can assume then that the stress within the engine’s assembly is beneath the endurance limit, which as previously noted is 210 MPa for the used material, and that the connecting rod has an infinite operational life.

连杆的疲劳寿命预测。