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功率密度是熱能動(dòng)力機(jī)械的重要性能指標(biāo)之一，特別是在空間尺寸要求嚴(yán)格的車輛上，采用高功率密度(HPD)的發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要。近年來(lái)國(guó)外推出的高功率密度柴油機(jī)已經(jīng)達(dá)到很高的水平，最具代表性的是德國(guó)MTU公司的MT890系列柴油機(jī)。115缸徑的直列4缸柴油機(jī)單缸功率為102.5 kW，比重量為1.098 kg/kW，升功率為93.2 kW，109缸徑的V型6缸機(jī)單缸功率為91.7 kW，比重量為0.945 kg/kW，升功率也達(dá)91.7 kW，這幾乎是商務(wù)車用柴油機(jī)的3倍，先進(jìn)轎車柴油機(jī)的2倍。而這兩種柴油機(jī)的體積分別只有約0. 45和0. 82。在非常緊湊的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)如此高的功率密度，必然使運(yùn)動(dòng)零部件的機(jī)械負(fù)荷大幅增加。這不僅源于HPD柴油機(jī)非常高的最高燃燒壓力(MT890系列柴油機(jī)最高燃燒壓力達(dá)21 MPa，而且還源于HPD柴油機(jī)高的標(biāo)定轉(zhuǎn)速4250 r/min。極高的氣體壓力和運(yùn)動(dòng)部件高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上，按常規(guī)設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)部件能否承受這樣的機(jī)械負(fù)荷，運(yùn)動(dòng)部件的最大工作應(yīng)力是多少，應(yīng)力如何分布，負(fù)荷的增加與應(yīng)力的增加有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系，常規(guī)材料能否滿足運(yùn)動(dòng)部件的強(qiáng)度要求？這些問(wèn)題是高功率密度柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先須解決的。曲柄連桿機(jī)構(gòu)中連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，受相當(dāng)大的交變載荷，工作條件比較惡劣。本文首先利用柴油機(jī)工作過(guò)程仿真分析的方法，計(jì)算HPD柴油機(jī)的工作過(guò)程，得到HPD柴油機(jī)連桿的機(jī)械負(fù)荷。然后采用有限元分析方法對(duì)高功率密度柴油機(jī)連桿強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。希望對(duì)HPD柴油機(jī)的研究和設(shè)計(jì)提供參考。
由于技術(shù)保密，且國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有相近水平的柴油機(jī)，無(wú)法得到實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)。根據(jù)MTU公司公布的基本參數(shù)位口活塞行程、缸徑、壓縮比、增壓比等無(wú)參考相同缸徑的常規(guī)功率密度柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了HPD柴油機(jī)工作過(guò)程一維計(jì)算模型。并以MT890系列柴油機(jī)性能參數(shù)為目標(biāo)，利用仿真軟件計(jì)算了高功率密度柴油機(jī)的工作過(guò)程，得到不同轉(zhuǎn)速條件下的示功圖。標(biāo)定工況下原機(jī)型主要控制參數(shù)與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比列于表中。升功率、平均有效壓力、最高燃燒壓力等性能參數(shù)的計(jì)算值與原機(jī)型參數(shù)值相差不多。作為對(duì)比，也計(jì)算分析了常規(guī)功率密度，TPD柴油機(jī)模型高轉(zhuǎn)速范圍為擴(kuò)展仿真計(jì)算結(jié)果，是為了與H PD柴油機(jī)按相應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)比。
根據(jù)示功圖數(shù)據(jù)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性質(zhì)量，可計(jì)算出一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)連桿所受載荷。2500 r/min時(shí)連桿大頭軸承載荷比較如圖所示。 分別取各轉(zhuǎn)速下連桿所受壓縮載荷最大值和拉伸載荷最大值連成曲線，如圖所示。從圖中可以看出，兩種柴油機(jī)連桿所受最大壓縮載荷均在某一轉(zhuǎn)速達(dá)到極值(HPD柴油機(jī)出現(xiàn)在2500 r/min，TPD柴油機(jī)出現(xiàn)在2000 r/mn附近)。這顯然是氣體力與慣性力綜合作用結(jié)果，且氣體力起主要作用。隨著轉(zhuǎn)速的加大，慣性力增加，可抵消掉較大部分的氣體力作用漣桿受最大壓縮載荷工況下慣性力與氣體力方向相反)。相同轉(zhuǎn)速下HPD柴油機(jī)連桿最大壓縮載荷相比TPD柴油機(jī)連桿最大壓縮載荷要大0.5~2倍以上，且隨著轉(zhuǎn)速的增大兩者差距增大。而兩種柴油機(jī)連桿的最大拉伸載荷則是隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，且兩者相差極小�？梢�(jiàn)連桿最大拉伸載荷中慣性力起主要作用，氣體力的影響微乎其微。
獲得了連桿所受載荷，就可利用有限元分析方法對(duì)連桿強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算模型中建立了連桿、蓋、活塞銷、曲柄銷、小頭襯套和大頭軸瓦的三維幾何模型漣桿各部分尺寸在保證重量不變的前提下，計(jì)算過(guò)程中曾多次修正。修改設(shè)計(jì)在CAD軟件Pro/E中實(shí)施，改進(jìn)后的連桿尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)在三維模型上測(cè)量獲得。有限元計(jì)算模型采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元，共劃分有76746個(gè)單元，118464個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖所示。
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