连杆的优化设计
1 前言
随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要。因此，国内外各大汽车公司对发动机连杆的材料及制造技术的研究都非常重视。“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求：
(1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声；
(2)强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；
这就意味着对连杆的设计和加工有着更高的要求。其一，杆身有足够的刚度可以预防工作时发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏。同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性。[3]
连杆的优化设计
2 连杆机构
2.1 连杆机构的特点
连杆机构具有以下传送特点:
1.连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构，lower pair mechanism）。其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。
2.在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。
3.在连杆机构中，连杆上的各点的轨迹是各种不同形状的曲线(称为连杆曲线，coupler-pointcurve)，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。
利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。 连杆机构也存在如下一些缺点：
1.由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累计，同时也使机械效率降低。
2.在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。
此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地满足。[5]
第９期 ２０１１年９月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ６３
文章编号：１００１—３９９７（２０１１）０９—００６３－０２
契贝谢夫四连杆机构的优化设计与应用术
肖晓萍 李自胜
（ 西南科技大学工程技术中心，绵阳６２１０１０）（ 西南科技大学制造科学与工程学院，绵阳６２１０１０）
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ ｆｏｕｒ－ｂａｒ ｌｉｎｋａｇｅ
ＸＩＡＯ Ｘｉａｏ—ｐｉｎｇ ．ＬＩ Ｚｉ—ｓｈｅｎｇ
（ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ）
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ） ， ．、ｔ ～ Ｎ ＋ 十 十 十 嘶ｔ 十十 ｔ Ｎ Ｎ Ｎ Ｎ 、． ＇毫一Ｎ —、ｌ 、 、套斤Ｎ ＂ ” 、§斤Ｎ Ｎ ＾＂ ＂ ¨ ＂ ； 【摘要】优化了契贝谢夫平面四杆机构。首先，利用解析法，建立了契贝谢夫平面四杆机构的数｛
｝学模型，通过对机构理想的运动曲线的分析，确定了约束方程和目标函数。其次，使用Ａｄａｍｓ软件中参｛
；数化设计与分析方法优化了杆件的长度，得到了较好的运动轨迹。最后，将此机构应用到一自由度轮腿ｉ
｝式行走机器人的设计，其仿真实验表明，此机器人在行走的过程具有较好的稳定性。该机构能够为研究｛
ｌ低功耗、低成本、易控制的腿式行走机器人提供设计依据，方法实用可行。 ２
； 关键词：契贝谢夫四杆机构；优化设计；腿式机器人；Ａｄａｍｓ ｛
第２５卷第１期 钻采工艺 ・７１・
异相型抽油机连杆的优化设计
蒯圣廷，陈应华，喻开安 （东南大学机械工程系）
摘要：连杆是抽油机的主要结构件之一。在满足其工作能力条件下，以重量最轻为目标，对连杆进行优化设 计实现降低整机重量是各抽油机制造厂追求的目的。在连杆长度已定的条件下，以连杆横截面积为目标函数，在 强度和几何约束条件下，选取连杆外径和壁厚为设计变量，建立了异相型抽油机连杆的优化设计模型。并以 ｌｍ …１ ５ ６ ５ＨＢ异相型抽油机连杆为例，介绍了其优化设计过程： 关羹词：异相型抽油机；连杆；优化设计 中圈分类号：ＩＣＥ ８３３．Ｉ 文献标识码：Ａ 文章确号：１００６—７６８Ｘ｛２００２ｌ０ｌ—ｏ７１—０２
连杆的优化设计模型 异相型抽油机结构简图如图１所示。抽油机工 作时，悬点载荷 加于悬绳器１２上，连杆承受较大 的工作载荷，是抽油机的主要承载构件。下面将建 立抽油机连杆的优化设计模型。
田Ｉ异相型游粱式抽油机结构筒田 １．刹车装置；２．电动机；３．碱速器皮带轮；４．碱速器；５输出轴｝ ６平确块；７．支架；８曲柄；９连杆；ｉ０游梁；ｉｉ．驴头；１２．悬绳器； １３底鏖 １．设计变■ 抽油机连杆体一般都用热轧无缝钢管制成，钢 管是型材，其主要参数是外径Ｄ和壁厚ａ，因此在设 计中将取Ｄ和 两个独立参数为设计变量。 ２．目标函数 为了减轻重量．要在连杆满足工作能力的条件 下，以连杆重量最轻为目标函数。连杆重量Ｇ ｐ ，Ｐ为连杆材料密度，ｓ为连杆横截面面积，ｚ为 连杆长度。连杆长度 在抽油机机构尺寸设计时已 定，因而长度 和材料密度ｐ为定值，最终将以连杆 横截面面积５为目标函数。 示，横截面面积 Ｓ＝ ｄ（Ｄ—ａ） 连杆横截面如图２所
围２无缝钢管截面形状 ３．约束条件 ３．１强度约束条件 ３．１．１最大连杆力尸ｊ一 最大连杆力尸Ｉ一是对连杆进行强度校核或稳 定性校核的依据。抽油机连杆力Ｐｌ是随悬点载荷 的变化而变化的，由于悬点载荷的变化规律随油 井工况而变，究竟何种工况对连杆最为不利，难以确 定。实际上，最大悬点载荷在上冲程的任何时刻都 可能发生。因此，在求取作为设计依据用的尸ｊ一 时，应让悬点载荷始终等于额定悬点载荷［ 】。 异相型抽油机的最大连杆力尸ｊ一为［ ］ 尸Ｊ一＝（［ｗ３一Ｂ）ｃｓ￣Ｏ．： （２） 式中：＾——游梁前臂长度； ——抽油机的结构不平衡重； ｃ——游粱后臂长度； 卢ｏ——上冲程中偏离９０嘬远的０角（连杆与游
连杆可靠性设计的新方法
基于鞍点逼近理论本文谈论了连杆的一种新设计方法。在基本随机参数概率分布已知的前提下，应用鞍点逼近技术，通过计算机程序可以实现连杆的可靠性设计，迅速准确地得到连杆的可靠性设计信息。
标签：鞍点逼近理论 可靠性设计 连杆
1 概述
机械可靠性设计也可以称作机械概率设计，是可靠性工程中主要研究的内容之一，也是可靠性工程在机械设计中的应用。机械可靠性设计的核心是分析计算机械零部件在规定的工作条件下的可靠性或是失效概率。但是在工程实际中是很难有足够的资料来确定其概率密度函数或联合概率密度函数。即使是近似地指定概率分布，在大多数情况下也很难进行积分计算而获得可靠度或失效概率。由于鞍点逼近理论在小样本中精确的逼近效果与高效的逼近速度，尤其是对尾概率的精确逼近，使得鞍点逼近方法越来越多地应用到统计问题中。本文在综述了国内外有关可靠性分析、设计理论以及鞍点逼近理论研究发展和现状的基础上，将鞍点逼近理论应用在连杆的可靠性设计中。
2 结构可靠性设计的鞍点逼近法
4 结论
通过随机变量为正态分布的机械结构实例，验证鞍点逼近理论分析计算机械结构的可靠性。通过计算机程序，快速、准确的得到了结构响应的密度函数与分布函数，并通过图形对比的方式，将鞍点逼近分析的结果与Monte-Carlo分析的结果进行了直观的对比，得到的结论是，鞍点逼近法分析计算结构的可靠性，具有相当的精度，尤其是在尾概率的计算中，逼近的结果与Monte-Carlo仿真的结果已经非常地接近了。
参考文献：
[1]张义民，闻邦椿.连杆的可靠性设计[J].汽车研究与开发，1997-04-15.
[2]张有，蔡坪.内燃机连杆的可靠性设计[J].小型内燃机，1991（06）.
[3]张有.内燃机连杆杆身的可靠性优化设计[J].车用发动机，1993（01）.
国家自然科学基金（51105068）；中央高校基本科研业务费（N100323004）；中国博士学科点专项基金（20110491505）。
