莫飛，葉智博，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某型特種汽車風扇驅(qū)動系統(tǒng)失效分析及結(jié)構改進

莫飛，葉智博，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章針對某型特種汽車的發(fā)動機風扇傳動皮帶頻繁出現(xiàn)早期磨損的現(xiàn)象，分析風扇驅(qū)動系統(tǒng)的失效模式，提出結(jié)構改進方案，并運用軟件建模及有限元模擬分析的方法對改進結(jié)構進行了驗證，結(jié)合用戶后續(xù)的使用情況表明，該問題已得到解決，提高了系統(tǒng)的可靠度。

早期磨損；尺寸分析；有限元

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-145-03

引言

某型特種汽車底盤搭載的可快速架設大跨度機械化橋梁作業(yè)系統(tǒng)，主要用于克服江河、峽谷、溝渠等障礙，提高應對突發(fā)事件及抗洪救災時的緊急處置能力，爭取救援時間，能夠起到良好的軍事、社會效益。

該車型投入市場后不久，發(fā)現(xiàn)車輛在行駛1000至3000公里左右時，發(fā)動機冷卻系風扇傳動皮帶頻繁出現(xiàn)早期磨損甚至皮帶斷裂現(xiàn)象，見圖1。此故障嚴重影響車輛冷卻系統(tǒng)的正常工作，存在發(fā)動機過熱的安全隱患。作為重型架橋作業(yè)系統(tǒng)的承載、運輸平臺，出現(xiàn)此種故障失效，不僅影響重型架橋系統(tǒng)的運輸機動能力，也導致架橋作業(yè)系統(tǒng)無法從發(fā)動機取力，影響正常使用。因此，需要盡快排查此故障產(chǎn)生的原因和機理，徹底解決此問題。

1 組成及工況簡介

該車型底盤的冷卻系統(tǒng)由于受到低位駕駛室空間布置的影響，采用低于發(fā)動機曲軸中心線的下沉式驅(qū)動風扇結(jié)構型式，但該結(jié)構型式很少用于重型車輛，在該產(chǎn)品開發(fā)時發(fā)動機廠家沒有相應成熟的風扇驅(qū)動結(jié)構可供選用，因此冷卻風扇驅(qū)動系統(tǒng)僅能根據(jù)總布置設計師預留的空間進行開發(fā)設計。

改進前的下沉式驅(qū)動風扇系統(tǒng)主要由左右支架、固定板、風扇軸承座、皮帶、壓緊輪機構及風扇葉片等組成。整個風扇皮帶驅(qū)動系統(tǒng)采用由螺栓連接的分體式結(jié)構安裝在發(fā)動機前部左右支架連接的固定板之上。同時為保證曲軸皮帶輪和風扇驅(qū)動皮帶輪之間的共面和平行，在左右支架和支撐板上設計出長圓孔供裝配調(diào)整使用，皮帶壓緊力通過皮帶壓緊輪的螺桿進行手動調(diào)節(jié)，結(jié)構如圖2所示。

圖2 改進前的下沉式驅(qū)動風扇結(jié)構

發(fā)動機運轉(zhuǎn)后曲軸皮帶輪通過皮帶將動力傳遞至風扇皮帶輪，冷卻風扇隨發(fā)動機的工作而同步轉(zhuǎn)動，風扇驅(qū)動系統(tǒng)與發(fā)動機前部懸置固定在發(fā)動機前端，與發(fā)動機形成一體結(jié)構，無其他外力影響；與常規(guī)發(fā)動機高位風扇的驅(qū)動原理相同，皮帶的理論設計壽命應不小于10萬公里。

2 故障原因分析

據(jù)現(xiàn)場查看風扇皮帶損壞的情況，發(fā)現(xiàn)其均呈現(xiàn)出偏磨、高溫燒焦和斷齒等特點，在排除了零部件質(zhì)量和發(fā)動機過熱問題后，重點考慮是曲軸驅(qū)動皮帶輪和風扇驅(qū)動皮帶輪之間的共面出現(xiàn)了問題。

經(jīng)分析，改進前的左右支架為鑄件毛坯，安裝面均為機加工，精度可以控制。但支撐板為保證強度要求設計為平板焊接結(jié)構，容易產(chǎn)生焊接變形，而圖紙的設計要求中并未對支撐板的平面度進行明確要求，因此在實際裝配過程中由于該零件的平面度誤差較大，加之無專用的工裝夾具對其進行定位，共面情況無法得到保證，兩皮帶輪產(chǎn)生夾角后使皮帶容易出現(xiàn)偏磨、斷裂等故障，故障模型分析如圖3所示。

圖3 故障模型分析簡圖

同時由于改進前的風扇安裝結(jié)構是由多個零部件采用螺栓緊固的方式進行連接，尺寸鏈過多，螺栓和安裝孔位的間隙導致累積誤差過大，也使皮帶輪之間的共面情況無法保證；并且在裝調(diào)和拆裝過程中螺栓反復打緊，導致壓緊力無法達到要求，行駛過程中隨著發(fā)動機的振動，固定螺栓逐漸松動使零件之間產(chǎn)生位移，也會引起皮帶輪前后不共面造成皮帶斷裂。

即使保證支撐板的安裝精度和螺栓的緊固力矩，也會因為該結(jié)構的尺寸鏈過多使得裝調(diào)和維修過于繁瑣，可靠性不高。因此，需要設計一種可靠性高的新結(jié)構徹底解決該車型風扇皮帶早期磨損的問題。

3 結(jié)構改進方案

在新結(jié)構的設計過程中，考慮通過優(yōu)化結(jié)構設計的方式克服原有分體式結(jié)構尺寸鏈過多，裝配精度難保證的問題。具體思路是：將分體式螺栓連接結(jié)構改為整體式結(jié)構，減少多余的尺寸鏈，通過提高新結(jié)構整體式支架安裝部位的加工精度，使零部件連接過程中存在的累積誤差控制在要求范圍之內(nèi)，以保證兩皮帶輪共面且無夾角，并在有限的空間內(nèi)合理布置，確保整套風扇傳動系統(tǒng)安裝和維修的方便性。

根據(jù)這一設計思路，如果整體支架仍采用原有的“L”型布置方式，必定造成加工難度的增大，精度也會受到角度的影響。因此需要將支架設計為整體平面型式，即風扇軸承座和皮帶壓緊輪的連接方式需由豎直固定改為前后軸向安裝，這樣不僅降低了零件設計和加工的難度，還提高了裝配、調(diào)整的工藝性。依靠整體式支架的自身加工精度保證軸向風扇軸承座安裝后不需調(diào)整即可滿足風扇皮帶輪與發(fā)動機驅(qū)動皮帶輪的前后和角度共面的要求，減少中間環(huán)節(jié)，達到優(yōu)化設計的目的。改進前后固定支架結(jié)構對比見圖4。

圖4 改進前后固定支架結(jié)構對比

在發(fā)動機懸置固定尺寸、結(jié)構不變的前提下設計出平面結(jié)構的整體式支架后，將原有豎直安裝的手動皮帶壓緊裝置根據(jù)改進提升的需要更換為前后連接結(jié)構的自動壓緊輪機構，合理的利用發(fā)動機前部有限的安裝空間，結(jié)構見圖5。

圖5 改進后的下沉式驅(qū)動風扇結(jié)構

4 強度分析和疲勞校核

改進結(jié)構方案中新設計的整體式支架總成，主要負責對下沉式風扇驅(qū)動結(jié)構的安裝和發(fā)動機前部的支撐，其余部件采用成熟零部件，強度已經(jīng)過驗證。因此在設計過程中，主要校核新設計的整體式支架總成在強度和疲勞壽命方面能否滿足使用要求。

基于整體式支架總成的ProE三維實體模型，在adams/view軟件中建立多體模型，提取各工況下支架連接點的受力；將幾何模型簡化、清理后導入HyperMesh軟件中。導入后需要對幾何模型存在的縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷進行處理，消除對單元質(zhì)量的影響。運用HyperMesh的前處理工具，對其模型進行網(wǎng)格單元劃分。

整體式支架總成的材料為QT450-10，彈性模量169GPa，泊松比0.257，密度7.06×103kg/m3，屈服強度310MPa，抗拉強度450MPa。為簡化模型將發(fā)動機懸置靜置剛度設定為140N/mm，并擬定了六種加速度極限受力工況導入Hyper Mesh中進行強度分析，設定的工況見表1。

表1 設定工況加載表

圖6是對整體式支架總成結(jié)構的有限元分析結(jié)果。

圖6 整體式固定支架有限元分析應力云圖

根據(jù)經(jīng)驗，靜態(tài)安全因子大于1.5即為合格。分析結(jié)果顯示整體支架最小靜態(tài)安全因子主要處于加強筋和安裝孔處，且靜態(tài)安全因子均大于2.9，最大應力遠小于材料屈服強度，說明支架強度合格。

將強度分析結(jié)果導入FEMFAT中進行疲勞分析。根據(jù)經(jīng)驗，當疲勞循環(huán)次數(shù)大于1E6次時，結(jié)構不會產(chǎn)生疲勞破壞。分析結(jié)果顯示各工況下最小疲勞循環(huán)次數(shù)為3.95E11次，表明該結(jié)構的疲勞壽命完全能夠滿足使用要求。

因此，經(jīng)過CAE分析理論校核表明新結(jié)構的整體式風扇支架完全能夠滿足使用強度和疲勞要求，甚至還有結(jié)構輕量化的余地。

5 結(jié)論

本文針對某型特種汽車底盤風扇皮帶早期失效的故障現(xiàn)象，采用科學的方法分析了導致皮帶失效的主要因素，依據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化了下沉式驅(qū)動風扇系統(tǒng)，運用有限元方法輔助校核全新設計出整體式風扇支架，并對該支架的強度和壽命進行了有限元分析，確保新結(jié)構的整體式支架能夠滿足強度和使用要求。有效解決了某型特種汽車底盤風扇皮帶早期失效的問題，經(jīng)過用戶后續(xù)使用再未發(fā)生此類問題，通過了可靠性驗證。

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Failure Mode Effects Analysis and Structural Improvements for a Fan Drive System on a Special Vehicle

Mo Fei, Ye Zhibo, Nie Wenfu
（Shaanxi Heavy Duty Automotive Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

This paper deals with the early wear of an engine fan belt drive system on a special vehicle. Failure Mode Effects Analysis (FMEA) is performed on the fan drive system. A structural improvement is proposed, and then validated through software modeling and Finite Element Analysis (FEA). Customer feedback later shows that the problem is solved, and therefore improves the reliability of the system.

craze; analysis; finite element

U467

A

1671-7988 (2017)15-145-03

莫飛，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.053