李小泉

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000)

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基于有限元的發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪受力分析

李小泉

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000)

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)皮帶輪斷裂現(xiàn)象。針對(duì)皮帶輪結(jié)構(gòu)，采用有限元分析方法，對(duì)該結(jié)構(gòu)的3種不同改進(jìn)方案進(jìn)行受力分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪的應(yīng)力分布，通過(guò)疲勞計(jì)算比較4種方案，確定最佳方案。

發(fā)動(dòng)機(jī)；皮帶輪；有限元；應(yīng)力

0　前言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行100h雙超試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第60h的時(shí)候附加皮帶輪斷裂，如圖1所示。設(shè)計(jì)員決定重新設(shè)計(jì)幾種不同方案，因此需要對(duì)各種方案的附加皮帶輪受力情況進(jìn)行CAE分析，以便為設(shè)計(jì)提供參考[1-2]。模型網(wǎng)格劃分采用Hypermesh軟件，在Patran里面施加邊界條件，計(jì)算和后處理在Abaqus軟件里面進(jìn)行，網(wǎng)格單元類型為四面體單元和六面體單元。

1　分析模型和邊界條件

1.1分析模型

針對(duì)附加皮帶輪進(jìn)行受力分析，計(jì)算模型包括：附加皮帶輪、減震器組件內(nèi)輪、螺栓M8×20、墊圈及皮帶部分。網(wǎng)格模型見圖2。計(jì)算模型單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1，各零件的材料特性見表2。

表2　分析中各零件的材料特性

1.2邊界條件計(jì)算

附加皮帶輪所帶動(dòng)的附件功率為：充電機(jī)2kW，空調(diào)壓縮機(jī)6kW，皮帶輪包角135°，因此附加皮帶輪上皮帶的松邊拉力與緊邊拉力可以計(jì)算出來(lái)。

緊邊與松邊拉力之差為有效拉力F，即帶所傳遞的圓周力:

(1)

式中：F1為緊邊拉力(N)；F2為松邊拉力(N)；P為傳遞功率(kW)；v為帶速(m/s)。

又：

(2)

由式(1)可得：

由式(2)可得：

efα=2.781 80.5×2.356=2.781 81.178=3.337 5

發(fā)動(dòng)機(jī)右旋轉(zhuǎn)動(dòng)，將緊邊力與松邊力分解：

對(duì)F1進(jìn)行分解：

豎直方向：

F1Y=454.479 6×cos30°=393.59 N

水平方向：

F1X=454.479 6×sin30°=227.24 N

對(duì)F2進(jìn)行分解：

豎直方向：

F2Y=136.169 7×cos15°=131.53 N

水平方向：

F2X=136.169 7×sin15°=35.24 N

4顆上緊螺栓采用M8(10.9級(jí))的，上緊力矩為20～40N·m，取最大擰緊力矩40N·m，則每個(gè)螺栓的預(yù)緊力為：

1.3約束、載荷情況

其中:k為自變量個(gè)數(shù);n代表本文選取的城市數(shù)量;T為研究的時(shí)間跨度.在5%的顯著水平下,如果F2小于臨界值,則接受原假設(shè),選擇H2,為常系數(shù)模型;如果拒絕原假設(shè),則檢驗(yàn)假設(shè)H1.若F1小于臨界值,則接受原假設(shè)H1,確定模型為變截距模型;反之,則選擇變系數(shù)模型．本文中n=20,k=2,T=11,在此基礎(chǔ)上得到

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)減震器組件內(nèi)輪約束端面所有平動(dòng)自由度，皮帶兩端根據(jù)實(shí)際角度分別按緊邊力與松邊力施加。除螺栓與內(nèi)輪螺孔采用tie接觸外，其余接觸均為small接觸類型。約束、載荷情況見圖3。

1.4計(jì)算方案

內(nèi)輪法蘭及定位槽見圖4。

方案一：原裝機(jī)狀態(tài)；

方案二：改用大墊圈；

方案三：改用大墊圈，內(nèi)輪法蘭加大，定位槽寬度減小到8mm；

方案四：改用大墊圈，內(nèi)輪法蘭加大，定位槽寬度減小到8mm，附加皮帶輪厚度增加到2.5mm。

4種模型不同方案情況對(duì)比見表3。

表3　模型4種不同方案情況對(duì)比

2　計(jì)算結(jié)果及分析

方案一為原機(jī)裝配方案。

由圖5—6可見：附加皮帶輪最大等效應(yīng)力為658.1MPa，為壓應(yīng)力，可以承受，其下部靠近皮帶的螺孔局部受到的最大拉應(yīng)力為225.6MPa。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，2/08Al材料的抗拉強(qiáng)度σb=275～440MPa，則其拉壓疲勞極限應(yīng)力值為σ0t≈0.3σb=82.5～132MPa，原模型皮帶輪最大拉應(yīng)力為225.6MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其拉壓疲勞極限最大值，可見當(dāng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺孔附近會(huì)受到交變的拉、壓應(yīng)力作用，由于超出了皮帶輪材料的疲勞許可極限值，因此皮帶輪會(huì)由于疲勞而從螺孔處開始局部破壞，最終導(dǎo)致大范圍材料失效，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)超速超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)皮帶輪受力會(huì)更加惡劣。

2.2方案二

方案二是在原模型的基礎(chǔ)上，用一個(gè)大的墊圈代替4個(gè)小墊圈，并且該墊圈比4個(gè)小墊圈的厚度要厚。

由圖7—8可見：更換為大墊圈以后，附加皮帶輪最大等效應(yīng)力為490.3MPa，其下部靠近皮帶的螺孔受到的最大拉應(yīng)力為100.3MPa，且未出現(xiàn)局部點(diǎn)大應(yīng)力現(xiàn)象。此情況下最大拉應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原模型方案，位于安全許可范圍之內(nèi)。

2.3方案三

方案三是在方案二的基礎(chǔ)上，加大減震器內(nèi)輪的外徑，同時(shí)減小內(nèi)輪定位槽的寬度，以便增大內(nèi)輪與皮帶輪的承壓面積。

由圖9—10可見：更換為大墊圈、增大內(nèi)輪與皮帶輪的接觸面積以后，附加皮帶輪最大等效應(yīng)力為502.2MPa，其下部靠近皮帶的螺孔受到的最大拉應(yīng)力為100.8MPa。如果考慮到計(jì)算誤差，則此情況下皮帶輪的受力情況同方案二相比結(jié)果相差不大，沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的改善。

2.4方案四

方案四是在方案三的基礎(chǔ)上，將皮帶輪的厚度由2mm增厚為2.5mm。

由圖11—12可見：更換為大墊圈、增大內(nèi)輪與皮帶輪的接觸面積并增厚附加皮帶輪以后，附加皮帶輪最大等效應(yīng)力為427.4MPa，其下部靠近皮帶的螺孔受到的最大拉應(yīng)力為71.44MPa。此方案同前幾種(見表4和圖13)相比較，拉應(yīng)力明顯降低，已經(jīng)低于最小允許疲勞極限值，皮帶輪受力得到很大改善。

表4　模型4種不同方案受力對(duì)比　MPa

3　結(jié)論

采取4種不同方案，對(duì)各種方案的附加皮帶輪受力情況進(jìn)行CAE分析，分析可知：

(1)原模型附加皮帶輪斷裂是因?yàn)槠л喪艿嚼簯?yīng)力作用超過(guò)疲勞極限安全值，從而在螺孔附近產(chǎn)生疲勞破壞引起。

(2)比較4種方案，方案四拉應(yīng)力最小，其次為方案二、三與原模型。

(3)如果皮帶輪材料、制造等方面能達(dá)到較大的抗拉強(qiáng)度，則方案二就可以滿足使用要求，但如果從純安全方面考慮，則建議優(yōu)先選用方案四。

【1】徐延海.皮帶輪疲勞強(qiáng)度的數(shù)值計(jì)算分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2007(3):45-47.

【2】雷玉珍,張倩倩,劉為,等.汽車空調(diào)離合器皮帶輪疲勞失效分析[J].精密成形工程,2011(5):83-86.

StressAnalysisReportofEnginePulleyBasedonFEM

LIXiaoquan

(AutomotiveEngineeringDesect1ment,ChengdePetroleumCollege,ChengdeHebei067000,China)

Thepulleyrupturedinanenginetestprocess.Accordingtothestructureofenginepulley,finiteelementmethod(FEM)wasusedtoanalyzethestructurestressbasedonthreedifferentimprovementschemes.FromtheFEMresult,stressdistributingruleoftheenginepulleywasobtained,andtheoptimalschemewasdeterminedbythecomparisonofthefatiguecalculation.

Engine;Pulley;FEM;Stress

2015-03-24

李小泉(1979—)，男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槠囍圃旃に?。E-mail：lxquan79@126.com。