CN110442915A - 连杆设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连杆设计方法，涉及连杆设计的技术领域，本发明提供的连杆设计方法，连杆包括：第一端部、杆身和第二端部，杆身连接在第一端部和第二端部之间，连杆设计方法包括：确定标准钢连杆质量值m₁；确定与标准钢连杆具有相同设计尺寸的球墨铸铁连杆质量值m₂；以预设质量值m的加固材料模拟增补杆身，并计算杆身的尺寸；其中：m₁>m₂，且m<m₁‑m₂。本发明提供的连杆设计方法可以缓解现有技术中钢制连杆质量较大的技术问题。

Description

连杆设计方法

技术领域

本发明涉及连杆设计技术领域，尤其是涉及一种连杆设计方法。

背景技术

连杆由连杆小头、连杆大头和连杆杆身组成，作为内燃机的核心零部件之一，其连接着活塞和曲轴，将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，连杆工作时承受活塞顶部气体压力和惯性力的作用，承受压缩、拉伸和弯曲等交变载荷，因此设计要求连杆需要具有高强度和刚度，并在以轻质为佳。为了保证连杆工作的可靠性，目前内燃机连杆大多采用高性能合金钢材料，由于合金钢材料价格较高且密度较大，由此导致连杆成产成本较高，且连杆质量较大，进而导致连杆运动惯量较大，不利于降低内燃机能耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连杆设计方法，以缓解现有技术中钢制连杆质量较大的技术问题。

第一方面，本发明提供的连杆设计方法，所述连杆包括：第一端部、杆身和第二端部，所述杆身连接在所述第一端部和所述第二端部之间，所述连杆设计方法包括：确定标准钢连杆质量值m₁；确定与所述标准钢连杆具有相同设计尺寸的球墨铸铁连杆质量值m₂；以预设质量值m的加固材料模拟增补所述杆身，并计算所述杆身的尺寸；其中：m₁>m₂，且m<m₁-m₂。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述杆身设有凹槽，所述加固材料增补所述杆身以减小所述凹槽的深度尺寸D。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：根据公式计算杆身的增补厚度H；其中：ρ为球墨铸铁的密度，单位为千克/立方米；S为所述凹槽的截面积，单位为平方米；K为比例系数，取值范围为0.9～1。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述凹槽的截面积选取槽深1/3～1/2处的截面积。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：根据所述增补厚度H，试制所述球墨铸铁连杆；试验计算所述球墨铸铁连杆的刚度；若刚度值小于预设刚度值则增大所述比例系数重新计算所述增补厚度H。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：根据所述增补厚度H、所述球墨铸铁的密度和所述凹槽的截面积计算所述预设质量值m。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：根据公式M＝m+ρ·V，计算所述球墨铸铁连杆设计质量；其中，M为球墨铸铁连杆设计质量，单位为千克；V为标准钢连杆的体积，单位为立方米。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：比较所述球墨铸铁连杆设计质量M与预设质量值M`的大小；若M≤M`则判定所述球墨铸铁连杆设计质量合格；若M>M`则减小所述比例系数重新计算所述增补厚度H。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：

计算所述预设质量值M`与所述球墨铸铁连杆设计质量M的差值，当所述预设质量值M`与所述球墨铸铁连杆设计质量M的差值小于预设质量差值时判定所述球墨铸铁连杆合格。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述连杆设计方法还包括：试验计算所述球墨铸铁连杆的结构强度；若所述球墨铸铁连杆的结构强度低于预设值，则增大所述比例系数重新计算所述增补厚度H。

本发明实施例带来了以下有益效果：连杆包括第一端部、杆身和第二端部，杆身连接在第一端部和第二端部之间，采用的连杆设计方法包括：确定标准钢连杆质量值m₁，确定与标准钢连杆具有相同设计尺寸的球墨铸铁连杆质量值m₂，以预设质量值m的加固材料模拟增补杆身，并计算杆身的尺寸，其中：m₁>m₂，且m<m₁-m₂；计算同尺寸标准钢连杆与球墨铸铁连杆的质量差值，并使用预设质量值m低于此质量差值的加固材料模拟增补至球墨铸铁连杆的杆身，进而得到以球墨铸铁为原料，且质量低于标准钢连杆质量值m₁的球墨铸铁连杆的设计尺寸。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的连杆设计方法提到的连杆结构示意图；

图2为本发明实施例提供的连杆设计方法提到的杆身截面示意图。

图标：1-第一端部；2-杆身；21-凹槽；3-第二端部。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的连杆设计方法，连杆包括：第一端部1、杆身2和第二端部3，杆身2连接在第一端部1和第二端部3之间；连杆设计方法包括：确定标准钢连杆质量值m₁；确定与标准钢连杆具有相同设计尺寸的球墨铸铁连杆质量值m₂；以预设质量值m的加固材料模拟增补杆身2，并计算杆身2的尺寸；其中：m₁>m₂，且m<m₁-m₂。

具体地，同尺寸的标准钢连杆质量值m₁大于球墨铸铁连杆质量值m₂，以同尺寸标准钢连杆质量值m₁和球墨铸铁连杆质量值m₂的差值作为加固材料质量的设计依据，选取预设质量值m的加固材料增补杆身2，从而可以增大杆身2的截面面积，即增大杆身2的厚度尺寸，并且m<m₁-m₂，由此得到的连杆质量值小于标准钢连杆质量值m₁。此外，球磨铸铁材料相比于钢制材料耐磨性和消振性能更佳，通过增大球磨铸铁连杆的杆身2的截面面积，从而可弥补同尺寸球墨铸铁连杆刚度低于标准钢连杆刚度的不足，进而使重新设计尺寸的杆身2，在使用球墨铸铁作为生产材料的条件下，具有与标准钢连杆相近的刚度性能，并且球墨铸铁连杆质量轻于标准钢连杆，强度可以超过标准钢连杆。由于球墨铸铁材料相较于钢材具有更好的切削加工性能，且价格较低，因此依照连杆设计方法设计的球墨铸铁连杆能够极大程度降低连杆的生产成本。

需要说明的是，在以预设质量值m的加固材料模拟增补杆身2的步骤中，加固材料可选用合金钢，以合金钢材料镀至杆身2表面，从而增大杆身2的厚度尺寸，进而可以提高杆身2的刚度和强度。优选地，加固材料采用球墨铸铁材料，根据球磨铸铁的密度，计算预设质量值m的球墨铸铁体积，并根据球墨铸铁体积和杆身2的表面面积计算杆身2的增补厚度尺寸，由此计算出杆身2的设计尺寸。依照杆身2的设计尺寸采用铸造工艺生产质量为m+m₂的球磨铸铁连杆，从而可获得较标准钢制连杆质量轻、强度高，且刚度接近钢制连杆的球磨铸铁连杆。此处所述的模拟增补杆身2并非使用球磨铸铁材料采用熔铸或镀层的方式增补，而是拟定杆身2上增补位置的面积，计算的到球磨铸铁材料的增补厚度尺寸，进而获得球墨铸铁连杆的杆身2设计尺寸。

本发明实施例提供的连杆设计方法尤为适用于在已知标准钢连杆设计尺寸时，在标准钢连杆的设计尺寸基础上，根据同尺寸的标准钢连杆和球墨铸铁连杆质量差，设计得出质量轻于标准钢连杆、强度高于标准钢连杆，且具有与标准钢连杆近似刚度的球墨铸铁连杆。可在标准钢连杆的基础上，开发同款发动机的球墨铸铁连杆，连杆尺寸的设计步骤得到简化，有利于缩短球墨铸铁连杆的研发设计周期。

如图1和图2所示，在本发明实施例中，杆身2设有凹槽21，加固材料增补杆身2以减小凹槽21的深度尺寸D。其中，杆身2可采用工字型结构，即杆身2的两侧均设有凹槽21，模拟计算加固材料若增补至凹槽21的底部以使凹槽21的深度尺寸D减小，从而获得球墨铸铁连杆的杆身2设计尺寸。通过减小凹槽21的深度尺寸D，从而增大杆身2的截面面积，进而提高了杆身2的结构强度和刚度；杆身2增加的厚度尺寸位于凹槽21中，因此不会对杆身2的外部尺寸产生影响，进而避免增大杆身2所占用的空间尺寸。

进一步的，连杆设计方法还包括：根据公式计算杆身2的增补厚度H，单位为米；其中：ρ为球墨铸铁的密度，单位为千克/立方米；S为凹槽21的截面积，单位为平方米；K为比例系数，取值范围为0.9～1。

具体的，当凹槽21的截面为矩形时，凹槽21的截面积为凹槽21的底部面积，以同尺寸标准钢连杆质量值m₁和球墨铸铁连杆质量值m₂的差值为依据，选取小于此差值的预设质量值m作为增补球墨铸铁的质量，并根据球墨铸铁的密度计算增补球墨铸铁的体积；根据增补球墨铸铁的体积和凹槽21的截面积从而可计算得出增补厚度，通过乘以比例系数对增补厚度H进行折算，从而可在满足强度和刚度要求的条件下进一步降低球墨铸铁的实际使用量，从而进一步降低球墨铸铁连杆的重量。

进一步的，凹槽21的截面积选取槽深1/3～1/2处的截面积。其中，连杆多采用铸造工艺生产，受工艺限制凹槽21的截面底部多为弧形，由此选取槽深1/3～1/2处的截面积可近似得到凹槽21的平均截面面积。

进一步的，连杆设计方法还包括：根据增补厚度H，试制球墨铸铁连杆；试验计算球墨铸铁连杆的刚度；若刚度值小于预设刚度值则增大比例系数重新计算增补厚度H。其中，采用理论计算、实验测试或者有限元分析的方法对球墨铸铁连杆进行刚度分析，若球墨铸铁连杆的刚度值大于等于预设刚度值，则表明墨铸铁连杆的刚度满足设计需要；若球墨铸铁连杆的刚度值小于预设刚度值，则需要增大比例系数以增大增补厚度H，从而获得具有更大刚度值的墨铸铁连杆，并再次实验验证墨铸铁连杆的刚度是否满足设计要求。

进一步的，连杆设计方法还包括：根据增补厚度H、球墨铸铁的密度和凹槽21的截面积计算预设质量值m。其中，增补厚度H与凹槽21的截面积的乘积可近似求得增补球墨铸铁的体积，增补球墨铸铁的体积与密度乘积可作为预设质量值m，通过计算得出预设质量值m，并以预设质量值m和球墨铸铁连杆质量值m₂求和得出球墨铸铁连杆设计质量。

在本发明的另一种实施方式中，连杆设计方法还包括：根据公式M＝m+ρ·V，计算球墨铸铁连杆设计质量；其中，M为球墨铸铁连杆设计质量，单位为千克；V为标准钢连杆的体积，单位为立方米。根据计算得出的球墨铸铁连杆设计质量，从而可采用此质量值的球墨铸铁进行铸造生产以获得所设计的球墨铸铁连杆。

进一步的，连杆设计方法还包括：比较球墨铸铁连杆设计质量M与预设质量值M`的大小；若M≤M`则判定球墨铸铁连杆设计质量合格；若M>M`则减小比例系数重新计算增补厚度H。其中，预设质量值M`由人为设定，预设质量值M`应小于标准钢连杆质量值m₁，通过进一步提高对球墨铸铁连杆设计质量M的设计要求，从而获得重量更轻球墨铸铁连杆，可以降低发动机的功率损失，提升应用球墨铸铁连杆发动机的工作性能。

进一步的，连杆设计方法还包括：计算预设质量值M`与球墨铸铁连杆设计质量M的差值，当预设质量值M`与球墨铸铁连杆设计质量M的差值小于预设质量差值时判定球墨铸铁连杆合格。具体的，为确保球墨铸铁连杆同样适用于标准钢连杆所适配的发动机，球墨铸铁连杆设计质量M应与发动机的功率相匹配，为此人为设定适配于此发动机的连杆预设质量值M`，并确保预设质量值M`与球墨铸铁连杆设计质量M的差值小于预设差值，从而保证球墨铸铁连杆可以应用于标准钢连杆所适配的发动机中。

进一步的，连杆设计方法还包括：试验计算球墨铸铁连杆的结构强度；若球墨铸铁连杆的结构强度低于预设值，则增大比例系数重新计算增补厚度H。具体的，通常增加了增补厚度H的球墨铸铁连杆相较于标准钢连杆具有更大的结构强度，结构强度的预设值可设定为大于等于标准钢连杆的结构强度，若球墨铸铁连杆的结构强度与预设值差值较大，可在满足刚度的条件下适当减小比例系数重并重新计算增补厚度H，从而获得新的设计尺寸。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种连杆设计方法，所述连杆包括：第一端部(1)、杆身(2)和第二端部(3)，所述杆身(2)连接在所述第一端部(1)和所述第二端部(3)之间，其特征在于，所述连杆设计方法包括：

确定标准钢连杆质量值m₁；

确定与所述标准钢连杆具有相同设计尺寸的球墨铸铁连杆质量值m₂；

以预设质量值m的加固材料模拟增补所述杆身(2)，并计算增补后所述杆身(2)的尺寸；

其中：m₁>m₂，且m<m₁-m₂。

2.根据权利要求1所述的连杆设计方法，其特征在于，所述杆身(2)设有凹槽(21)，所述加固材料增补于所述凹槽(21)的底部以减小所述凹槽(21)的深度尺寸D。

3.根据权利要求2所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

根据公式计算杆身(2)的增补厚度H；

其中：ρ为球墨铸铁的密度，单位为千克/立方米；S为所述凹槽(21)的截面积，单位为平方米；K为比例系数，取值范围为0.9～1。

4.根据权利要求3所述的连杆设计方法，其特征在于，所述凹槽(21)的截面积选取槽深1/3～1/2处的截面积。

5.根据权利要求3所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

根据增补后所述杆身(2)的尺寸，试制所述球墨铸铁连杆；

试验计算所述球墨铸铁连杆的刚度；

若刚度值小于预设刚度值则增大所述比例系数重新计算所述增补厚度H。

6.根据权利要求3所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

根据所述增补厚度H、所述球墨铸铁的密度和所述凹槽(21)的截面积计算所述预设质量值m。

7.根据权利要求6所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

根据公式M＝m+ρ·V，计算所述球墨铸铁连杆设计质量；其中，M为球墨铸铁连杆设计质量，单位为千克；V为标准钢连杆的体积，单位为立方米。

8.根据权利要求7所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

比较所述球墨铸铁连杆设计质量M与预设质量值M`的大小；

若M≤M`则判定所述球墨铸铁连杆设计质量合格；

若M>M`则减小所述比例系数重新计算所述增补厚度H。

9.根据权利要求8所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

计算所述预设质量值M`与所述球墨铸铁连杆设计质量M的差值，当所述预设质量值M`与所述球墨铸铁连杆设计质量M的差值小于预设质量差值时判定所述球墨铸铁连杆合格。

10.根据权利要求5所述的连杆设计方法，其特征在于，所述连杆设计方法还包括：

试验计算所述球墨铸铁连杆的结构强度；

若所述球墨铸铁连杆的结构强度低于预设值，则增大所述比例系数重新计算所述增补厚度H。