Abstract
In automotive engines, the connecting rod is subjected to high cyclic loads. These are represented by high compressive loads due to combustion, and high tensile loads due to the connecting rod mass of inertia. The main objective of this study is to optimize the shape of a connecting rod in an automobile engine. A model of the connecting rod has numerically been built and has been solved by the Finite Element Method (FEM) using the ANSYS package to determine the stresses distribution over the entire rod. In addition, the transition force analysis of the connecting rod and the verification of the analysis are shown. The aim of the optimization has been to minimize the respective Von Mises stresses which occur at connected rod in both cases, i. e. compressive loads coming from the gas pressure at maximum engine output and the bending loads resulting from the inertia force at the maximum engine power. The weight of the connecting rod should be maintained to prevent increasing of the inertia force. The results of this study indicate that the maximum compression stress occur at compressing loads at the small end section of the connecting rod. Optimizing the radius at the small end decreases such stresses. On the other hand, the inertia forces of the connecting rod mass cause a maximum bending stress at the large end section. By changing the shape and geometry of this section the maximum Von Mises stresses are reduced by 16.5 %, as compared to the original design. A buckling analysis has been carried out for the original and the optimized model and the results have been compared. The load factor (critical load / applied load) is increased by 7 % compared to the original design. Finally, a shape optimization for connecting rod reduces the stresses over the entire rod.
Kurzfassung
Designoptimierung eines Pleuels mittels FEM – Eine Vergleichsstudie der optimalen Form mit zwei- und dreidimensionalen Modellen. In Motoren werden Pleuel hohen zyklischen Beanspruchungen unterworfen, die sich vor allem durch hohe Druckbeanspruchungen infolge der Verbrennung und in hohen Zugbeanspruchungen infolge der Massenkraft der Pleuel äußern. Das Hauptziel der diesem Beitrag zugrunde liegenden Studie war es, die Form des Pleuels zu optimieren. Hierzu wurde ein numerisches Modell des Pleuels entwickelt und mittels der Finite Elemente Methode (FEM) unter Verwendung des Programmpaketes ANSYS wurde die Spannungsverteilung über das gesamte Pleuel bestimmt. Darüber hinaus werden die Übertragungskräfte des Pleuels sowie die Verifikation der Analysen dargestellt. Das Ziel der Optimierung bestand in einer Minimierung der entsprechenden Von-Mises-Spannungen im Pleuel für beide Fälle, also für Druckbeanspruchungen infolge des Gasdruckes und für Biegebeanspruchungen bei maximaler Motorleistung. Das gewicht des Pleuels sollte beibehalten werden, um eine Zunahme der Massenkräfte zu vermeiden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die maximalen Druckspannungen bei maximaler Druckbeanspruchung an den kleinen Enden des Pleuels auftreten. Eine Optimierung des Radius an dem kleinen Ende führt zu einer Absenkung dieser Spannungen. Auf der anderen Seite verursachen die Massenkräfte des Pleuels am großen Ende maximale Biegespannungen. Unter Veränderung der Geometrie dieses Bereiches können die maximalen Von-Mises-Spannungen um 16,5 % gegenüber dem ursprünglichen Design reduziert werden. Es wurde eine Berechnung auf Knickung an dem ursprünglichen und dem optimierten Modell durchgeführt und in Hinblick auf ein optimales Design wurden die Ergebnisse verglichen. Der Lastfaktor (kritische/einwirkende Beanspruchung) ist gegenüber dem ursprünglichen Design um 7% höher. Schließlich ist festzustellen, dass mit einer Formoptimierung die Spannungen im gesamten Pleuel reduziert werden können.
Refrences
1 Al-Jazari: Al-Jamì bayn al-ìlm wa al-àmal al-nafì fi sinàat al-hiyal, Y. Ahmad (Ed.): A Compendium on the Theory and Practice of the Mechanical Arts), (1979), p. 457Search in Google Scholar
2 R.Hippoliti: FEM method for design and optimization of connecting rods for small two-stroke engines, Proc. of the Small Engine Technology Conference (1993), pp. 217–231Search in Google Scholar
3 B.Balasubramaniam, M.Svoboda, W.Bauer: Structural optimization of I. C. engines subjected to mechanical and thermal loads, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering89 (1991), pp. 337–360Search in Google Scholar
4 R. J.Yang, D. L.Dewhirst, J. E.Allison, A.Lee: Shape optimization of connecting rod pin end using a generic model, Finite Elements in Analysis and Design11 (1992), pp. 257–264Search in Google Scholar
5 S. Y.Lee, S. B.Lee, H. S.Kim, T.-G.Kim, M. G.Kam, J. W.Yoon, Failure analysis of connecting rod at big end, Key Engineering Materials306 – 308 (2006), pp. 345–350Search in Google Scholar
6 W. D.Webster, R.Coffel, D.Alfaro: A three dimensional finite element analysis of a high speed diesel engine connecting rod, SAE Technical Paper831322 (1983), pp. 83–96Search in Google Scholar
7 P. G.Charkha, S. B.Jaju: Analysis and optimization of coneecting rod, Proc. of the Second International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, ICETET (2009), pp. 86–91Search in Google Scholar
8 X.Hou, C.Tian, D.Fang, F.Peng, F.Yan: Analysis and optimization for connecting rod of LJ276M electronic gasoline engine, Proc. of the International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering, CiSE 200910.1109/CISE.2009.5363219Search in Google Scholar
9 Z. B. L.Yongqi, J.Lixia, Finite Element Analysis and structural improvement of Diesel engine connecting rod, Proc. of the Second International Conference on Computer Modeling and Simulation (2010), pp 175–178Search in Google Scholar
10 M. K.Lee, H.l.Lee, T. S.Lee, H.Jang: Buckling sensitivity of a connecting rod to the shank sectional area reduction, Materials and Design31 (2010), pp. 2796–2803Search in Google Scholar
11 W. W.Pulkrabek: Internal Combustion Engine, Prentice-Hall Inc. (1997)Search in Google Scholar
12 R. L.Norton: Design of Machinery, McGraw-Hill (1999)Search in Google Scholar
13 J. B.Heywood: Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill (1988)Search in Google Scholar
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