梁霖鋒 陳銘年

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輻板偏置式車用旋壓張緊輪的有限元分析

梁霖鋒1陳銘年2

1.福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.福建農(nóng)林大學(xué)

輻板偏置式旋壓張緊輪節(jié)省材料、易加工，在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛。本文對(duì)某側(cè)輻板的車用旋壓張緊皮帶輪進(jìn)行有限元分析，探討其剛度強(qiáng)度以及帶輪厚度和寬度變化對(duì)帶輪強(qiáng)度的影響，以期對(duì)車用旋壓張緊皮帶輪的設(shè)計(jì)提供參考。

車用張緊輪；旋壓；ANSYS；有限元分析

0 引言

皮帶輪作為一種重要的機(jī)械傳動(dòng)零件，廣泛應(yīng)用于汽車、農(nóng)機(jī)以及輕紡工業(yè)的各種機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)中。車用皮帶輪主要應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、水泵、風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)及張緊輪、導(dǎo)向輪的傳動(dòng)。皮帶輪的傳統(tǒng)制造工藝采用的是鑄鍛工藝制成毛坯，再經(jīng)切削加工而成。而如今，隨著旋壓成形工藝的發(fā)展，旋壓皮帶輪以其精度高、節(jié)能、節(jié)材、動(dòng)平衡好、無(wú)污染等特點(diǎn)，已被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。

采用側(cè)輻板的旋壓張緊輪節(jié)省材料、易加工，深受汽車界歡迎。本文對(duì)側(cè)輻板的車用旋壓張緊輪進(jìn)行有限元分析，尋找其最大應(yīng)力所在位置，探討帶輪厚度、寬度變化對(duì)張緊輪強(qiáng)度的影響，以期對(duì)張緊輪的設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象

本文選擇車用旋壓張緊皮帶輪作為研究對(duì)象，其帶輪外徑為70 mm，內(nèi)徑為33.9 mm，帶寬25 mm，如圖1所示。采用SAE1008鋼，材料屈服極限≥240 MPa，彈性模量為2.068E5,泊松比為0.29，密度為7.8 g/cm3，工作過(guò)程包角為55°，徑向加載力為1.05 kN。

2 分析方法

本文對(duì)該旋壓張緊輪進(jìn)行靜力分析, 為研究方便，暫不考慮扭矩、離心力、轉(zhuǎn)速等因素影響。

在靜力作用下，皮帶向皮帶輪施加徑向力。皮帶與皮帶輪接觸部分即為需要施加力的區(qū)域。在實(shí)際傳動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)帶與帶輪的接觸范圍與帶輪的包角大小有關(guān)。因此，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，將壓力加載在與皮帶接觸的張緊輪面上。

本文利用專用接口程序，將帶輪的截面輪廓線導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行建模，然后再進(jìn)行有限元強(qiáng)度和剛度分析。

圖1 截面線

圖2 張緊輪

2.1 皮帶輪三維實(shí)體建模

皮帶輪的建模有多種方法。本文應(yīng)用AUTOCAD與ANSYS的專用接口程序，將帶輪的截面線導(dǎo)入到ANSYS，在ANSYS環(huán)境中建立張緊輪的三維實(shí)體模型。運(yùn)用ANSYS自底向上的建模方法[2]，先將截面線生成面，再將面繞軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到實(shí)體模型，如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)體建模過(guò)程中，可預(yù)先確定要施加載荷的皮帶輪表面，對(duì)稱地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以保證兩邊對(duì)稱加載后可以將水平方向的分力相互抵消。這就便于在以后計(jì)算過(guò)程中，按比例地修改施加的載荷。

2.2 有限元模型建立

在ANSYS中離散化時(shí)，選用Solid 92單元，單元長(zhǎng)度為1 mm ，將張緊輪共離散化為182 996個(gè)單元。施加載荷時(shí)，將載荷施加于接觸面，如圖3所示。第一次先施加單位載荷，然后根據(jù)計(jì)算得出的約束結(jié)果再進(jìn)行修正。約束時(shí)，采用點(diǎn)約束，約束軸孔內(nèi)表面。有限元模型如圖4所示。

圖3 載荷施加面

圖4 有限元模型

初次求解后，可查看結(jié)果，如果得出的徑向力不等于1050 N，需對(duì)施加的載荷進(jìn)行修正。用實(shí)驗(yàn)要求的徑向力比實(shí)際計(jì)算的徑向力，所得的系數(shù)設(shè)置為Scale Factor, 即可得到正確的加載值。

為探討不同厚度及寬度的帶輪對(duì)其強(qiáng)度的影響，在其他尺寸相同的情況下，分別對(duì)以下2組進(jìn)行比較分析：

（1）不同厚度：寬度為25 mm時(shí)，厚度分別為2.8 mm，2.3 mm和1.8 mm。

（2）不同寬度：厚度為2.8 mm時(shí), 寬度分別為25 mm，30 mm和35 mm。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，厚度為2.8 mm且寬度為25 mm的旋壓張緊輪的變形如圖5所示，von Mises應(yīng)力分布如圖6所示。其他各張緊輪的變形及von Mises應(yīng)力分布與圖5，6相似。

圖5 厚度2.8 mm，寬度25 mm時(shí)張緊輪的變形

圖6 厚度2.8 mm，寬度25 mm時(shí)張緊輪的應(yīng)力分布

第一組3種不同厚度張緊輪的強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果如下表1。

表1 不同厚度張緊輪的應(yīng)力和變形分析比較

第二組三種不同寬度張緊輪的比較情況如下表2：

表2 不同寬度張緊輪應(yīng)力和變形分析比較

3.2 結(jié)果分析

由圖5可知，旋壓張緊輪的最大變形在帶輪邊緣。由圖6可知，旋壓張緊輪的最大von Mises應(yīng)力σmax出現(xiàn)在旋壓張緊輪側(cè)輻板的近根部處。

從表1可得出，當(dāng)厚度從2.8 mm降至2.3 mm時(shí)，張緊輪的最大von Mises應(yīng)力值由90.95 MPa增至126.90 MPa，σmax增大了39.53%；厚度降至1.8 mm時(shí)，最大von Mises應(yīng)力值增至197.35 MPa，比厚度為2.3 mm時(shí)的最大von Mises應(yīng)力增加了55.52%。厚度每減少0.5 mm，應(yīng)力大幅增加。

由表2可知：寬度為25 mm、30 mm、35 mm的三組張緊輪，其最大von Mises應(yīng)力σmax值相差不大。因此，張緊輪寬度變化對(duì)其強(qiáng)度的影響不大。

取安全系數(shù)=s／[]=1.5，則[]=160 MPa，厚度為2.8 mm、2.3 mm時(shí)，張緊輪強(qiáng)度可以符合要求。當(dāng)厚度降至1.8 mm時(shí)，最大von Mises應(yīng)力值大于許用應(yīng)力，不滿足要求。而寬度為25 mm、30 mm、35 mm的3組張緊輪均符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)側(cè)輻板的旋壓式張緊輪進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：側(cè)輻板的旋壓張緊輪的最大變形在帶輪邊緣，旋壓張緊輪的最大von Mises應(yīng)力σmax出現(xiàn)在旋壓張緊輪側(cè)輻板的近根部處。厚度對(duì)旋壓式帶輪強(qiáng)度有很大影響，當(dāng)帶輪厚度每減少0.5 mm，最大von Mises應(yīng)力大幅增加；寬度對(duì)強(qiáng)度變化的影響不大。

[1] 王忠清.鈑制旋壓皮帶輪在汽車行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車與配件,1998 (25):18-19.

[2] 段進(jìn),倪棟等.ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2006.

Finite Element Analysis of Web Offset Spinning Tension Pulley for Motor

Liang Linfeng1, Chen Mingnian2

1) Fujian Communication Technology College, Fuzhou 350007, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

The web offset spinning tension pulley saves material and is easy to be machined, which is widely used in automobile industries. Simulation of a web offset spinning tension pulley is conducted via the finite element analysis software ANSYS. The rigidity and strength of the pulley and the impact of the change of thickness and width on its strength are explored to enhance the pulley design.

tension pulley for motor; spinning; ANSYS; finite element analysis