1.1 课题研究背景
在当今社会生活和工业生产中，动力源必不可少，高压大功率柴油机就是其中的一种重要动力源，在汽车工业、军用坦克、军用装甲车、舰艇和航空航天等领域得到了广泛的应用[1]。从二次世界大战以后，世界格局发生很大变化，军事工业得到了很大的发展，为了满足新的战争需要，提高军用坦克装甲车在战役中的作战能力，各国通过改变、改善军用坦克装甲车的动力源来提高其反应速度和灵活性，加大行驶距，将军用坦克装甲车辆的动力源由原来的汽油机换成了柴油机。此后，为提高军用车辆的作战性能，高压大功率柴油机得到了充分的发展[2]。 高压大功率柴油机组成部件多且结构复杂，在工作过程中，很多零部件要承受高温、大载荷、腐蚀等，恶劣的工作环境要求柴油机部件要有很好的工艺质量性能[3]。柴油机曲柄连杆机构中的连杆作为主要部件，通过活塞销将活塞与曲轴连接起来，将活塞的直线运动转化成曲轴的旋转运动，进而将气缸内可燃混合气体燃烧产生的化学能转化为柴油机驱动车辆运动的机械能。当高压大功率柴油机工作时，柴油机连杆的受力大并且非常复杂，是柴油机零部件中承受负荷最严重的零件之一[4-6]，所以连杆的可靠性寿命较差，为了解决发动机连杆工作寿命周期短和工作可靠性差的问题，在连杆与活塞联接处加了一个滑动副连杆衬套。在高压大功率柴油机工作过程中，连杆衬套要承受由活塞传来的燃烧爆发力、连杆传递过来的惯性力，同时还要承受由燃烧和摩擦产生的热负荷作用，所以柴油机连杆衬套的工作条件特别恶劣[7]。为满足高压柴油机正常工作的需求，连杆衬套需要有能承受各种力的能力，同时还要有能承受高温的特点。
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1.2 强力旋压成形工艺综述
旋压成形是塑性成形方法中的一种，起始的旋压成形方法叫做普通旋压成形，经过不断的发展，普通旋压成形制得的产品不能满足工业实际需求，强力旋压成形工艺出现了。强力旋压加工工艺综合了挤压、轧制等工艺的特点，工件坯料在旋压成形过程中，工件坯料跟旋轮的接触面积很小，可以近似为点接触，由于接触面积小，产生的单位压力高[11]。强力旋压后工件坯料材料的组织结构和力学性能都要发生变化，工件坯料金属的晶粒被细化，金属沿着旋压的方向流动，强力旋压后旋压件具有纤维状特征的致密连续组织。与其它加工工艺方法相比较，强力旋压加工主要有一下优点： （1）工件坯料在件强力旋压过程中，旋压机的旋轮与工件毛坯之间接触面积小，可以近似于点接触，较小的接触面积能够产生相对较高的单位压力，这样对于一些强度较高的变形难度大的金属材料进行加工时可以采用强力旋压技术。同时强力旋压过程中需要变形力相对较小，旋压机的功率消耗相对会小很多。 （2）在强力旋压过程中，工件坯料金属会受到轴向、切向和径向这三个方向的应力作用，坯料金属会沿着作用力的方向发生滑移，强力旋压后坯料金属的晶粒是连续完整的，这样坯料金属的晶粒得到了充分的细化，很好的改善了工件的力学性能。 （3）经强力旋压加工出来的工件制品尺寸精度较高，同时工件的表面质量好。 （4）强力旋压的应用范围相对较广，在实际生产过程中，有很多工件的成形难度大，工件的加工精度要求较高，这样强力旋压加工方法可以满足加工要求。同时对于同一台强力旋压机，可以加工多种产品。 （5）强力旋压过程中，旋压机能够对产品的进行自动检测。强力旋压机的旋轮与工件坯料的接触面积很小，可以近似看作是点接触，被旋压工件坯料金属近似逐点变形，如果工件坯料中有任何夹层、裂纹、砂眼或夹杂等缺陷，都会很容易的暴露出来。 （6）强力旋压加工工艺是一种无切削加工工艺，在强力旋压过程中不会产生废削，减少或没有材料的浪费，所以金属材料的利用率高，生产成本相对较低。
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2 连杆衬套的加工工艺技术研究
2.1 综述连杆衬套的制备流程
柴油机连杆衬套工作时，在其上面作用有很大的交变载荷，同时还受到高温和腐蚀等，工作环境恶劣，所以对其性能要求很高，为满足连杆的工作需求，其加工工艺也要求较高，图 2.1 是某柴油机连杆衬套加工工艺流程图。在连杆衬套加工流程中，最重要的是其成形的强力旋压过程，文章以 QSn7-0.2 为连杆衬套坯料材料，通过有限元仿真研究旋压工艺参数对强力旋压成形过程中旋压力、等效应力、材料隆起率等的影响规律。
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2.2 连杆衬套旋压成形工艺主要工艺参数
对强力旋压筒形件的芯模来说，其结构由工作部分和连接部分两部分组成，成圆柱形。芯模的尺寸精度、刚度、表面光洁度都直接影响旋压工件的质量，当其的尺寸精度和表面的光洁度好时，加工出来的旋压件的尺寸精度和表面光洁度会相对较高，对芯模的尺寸要求是其外径应该与旋压件的外径相同，内径应该稍小于旋压件的内径；同时芯模的刚度高，旋压出来的旋压件的质量精度会好。为了保证芯模的刚度，在芯模的尾端会有支撑。对于强力旋压机所用的旋轮来说，工作角是特别重要的结构参数，旋轮工作角的选择可以控制旋压力。在强力旋压过程中，因为材料的隆起会碰触到旋轮的工作边，这样强力旋压件的精度和表面质量都要受到旋轮工作角的影响。在旋压生产中发现，当旋轮工作角相对较大时，工件贴模好，旋压制品的尺寸精度也相对较高；当旋轮工作角相对较小时，材料的隆起就不那么明显，但是工件贴模较差，同时扩颈量变大。 但是工作角的大小没有具体的计算公式，是靠实验和经验来定的。通过大量的实验得出经验，低硬度材料取旋轮工作角为 15°~20°，对中硬度材料旋轮的工作角取20°~25° ，高硬度材料工作角取25°~30°。
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3 连杆衬套的载荷特性分析
3.1 曲柄连杆机构的运动学分析 ...... 25
3.1.1 曲柄连杆机构的角位移、角速度、角加速度 ............ 25
3.1.2 活塞的行程、位移、速度、加速度........... 27
3.2 连杆衬套的动力学分析 .......... 30
3.3 连杆衬套的载荷分析 ............ 31
3.4 本章小结..... 31
4 连杆衬套的润滑特性分析
4.1 连杆衬套润滑分析综述 .......... 32
4.2 求解雷诺方程边界条件的确定 ............ 32
4.3 雷诺方程的建立 ....... 34
4.4 润滑特性计算 ......... 37
4,5 本章小结 ..... 43
5 软件开发及实例计算
5.1 C 语言软件编制 ....... 44
5.2 连杆衬套载荷特性计算 .......... 48
5.3 连杆衬套润滑特性计算 ......... 53
5.4 本章小结 ..... 57
5 软件开发及实例计算
5.1 C 语言软件编制
根据第三章和第四章的理论推导，用 C 语言编写计算程序，开发用于连杆衬套润滑计算分析的软件，计算流程图 5.1、图 5.2：通过计算柴油机转速为 800r/min、1500r/min、2200r/min 三种工况下连杆的角位移，计算结果表明，不同转速下，连杆的角位移变化不大。这是因为柴油机的连杆角位移的大小主要是由柴油机机构参数决定的，与柴油机的运转工况无关。 由图 5.5 可知，不同转速工况下柴油机连杆的角速度不同，当柴油机转速增大时，柴油机连杆角速度也随之增大。这是因为当柴油机结构参数确定后，柴油机的的连杆角位移是确定的，随着柴油机转速的提高，单位时间内连杆转过的角度就会增大，所以其角速度相应的增大。
总结
柴油机作为工业生产和社会生活中的重要动力源，其工作的可靠稳定十分重要。柴油机连杆衬套作为曲柄连杆机构中的主要部件之一，连杆衬套工作可靠性关系到柴油机的寿命。在柴油机工作过程中，连杆衬套承受很高的机械载荷和环境温度，工作条件十分恶劣，这就需要连杆衬套有好的质量性能和工作性能。为了制造高质量的连杆衬套，研究其加工工艺十分重要。为使连杆衬套工作稳定性好，好的润滑特性必不可少。本文中从连杆衬套的制备和润滑两个方面着手，研究连杆衬套的制备工艺过程和润滑特性。 1、连杆衬套的制备工艺研究 总结连杆衬套的制备流程，主要针对制备过程中最重要的强力旋压加工工艺，采用有限元仿真，对无错距强力旋压过程进行了仿真，研究强力旋压过程中各旋压加工工艺参数对旋压工程的影响，主要分析如下：
1) 旋轮工作角。研究了旋轮工作角对旋压力和等效应力的影响，结果表明当工作角的增大时，只有轴向旋压力变大，其他两个方向的旋压力则变小了。等效应力是随着旋轮工作角的增大而增大。
2) 芯模与旋轮的间隙。文中主要研究了芯模与旋轮间隙对旋压力的影响规律，当芯模与旋轮的间隙增大时，旋压的轴向力、径向力、切向力都减小，选择合适的芯模与旋轮间隙，可改善旋压质量。
3) 旋轮进给速度。作为旋压工艺的主要工艺参数，对旋压力、材料隆起率、壁厚减薄率、等效应力都有影响。在旋压过程中进给速度增大，旋压的轴向力、径向力、切向力都会增大；进给速度增大，材料的隆起率也是增大的；随着旋压的进行材料的减薄率也增大；旋压过程中等效应力值随着旋压进行是在增大的，不同的进给速度，进给速度大的等效应力也大。
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参考文献（略）
