王麗鳳

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

飛輪殼安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間，外接曲軸箱、起動(dòng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)，內(nèi)置飛輪總成，起著保護(hù)飛輪，連接發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的作用，并且還被用作發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上的后懸置支承點(diǎn)[1-2]。如果飛輪殼設(shè)計(jì)不合理，強(qiáng)度達(dá)不到使用要求，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部激勵(lì)和路面沖擊載荷的影響下，將會(huì)出現(xiàn)裂紋，最終破裂對(duì)汽車的正常運(yùn)行造成影響。某直列4缸四沖程柴油機(jī)在工作過程中出現(xiàn)飛輪殼開裂的現(xiàn)象，為了找出裂紋出現(xiàn)的原因，需要對(duì)飛輪殼的強(qiáng)度進(jìn)行校核，對(duì)飛輪殼進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析后，確定飛輪殼與發(fā)動(dòng)機(jī)的自身頻率不會(huì)產(chǎn)生共振，因此本文重點(diǎn)進(jìn)行靜強(qiáng)度與疲勞損傷分析。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 實(shí)體模型及有限元模型

利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件UG NX10.0建立包括氣缸體、飛輪殼、齒輪室、前后懸置支腳、變速箱外殼、空氣壓縮機(jī)、起動(dòng)機(jī)支架、螺塞、螺栓等10個(gè)零部件的三維模型，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上建立有限元計(jì)算模型，如圖2所示。螺栓網(wǎng)格用HyperMesh劃分，其它零件用SimLab劃分，考慮到飛輪殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，劃分六面體網(wǎng)格不易實(shí)現(xiàn)[3]，因此本文選用10節(jié)點(diǎn)四面體單元(C3D10M)，在Abaqus里施加邊界條件，最后用Abaqus求解。有限元模型的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)如表1所示，共有1 183 561個(gè)單元，2 094 008個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 飛輪殼三維模型

圖2 飛輪殼有限元計(jì)算模型

表1 有限元模型的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)

1.2 材料參數(shù)

有限元計(jì)算模型中各零件的材料特性如表2所示，其中氣缸體、變速箱外殼、空氣壓縮機(jī)、起動(dòng)機(jī)支架、螺塞所用材料為HT250，飛輪殼、齒輪室所用材料為ZL111，前、后懸置支腳所用材料為QT450，螺栓所用材料為鋼。關(guān)鍵零部件飛輪殼的材料力學(xué)屬性如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵零件(飛輪殼)材料力學(xué)屬性圖

表2 各零件材料特性

1.3 分析步及接觸設(shè)置

本計(jì)算采用分步加載法，共進(jìn)行螺栓預(yù)緊力以及飛輪殼上、下、左、右、前、后6個(gè)方位的振動(dòng)共7個(gè)分析步進(jìn)行計(jì)算，如表3所示。其中F(方位)表示模擬飛輪殼上、下、左、右、前、后6個(gè)方位的振動(dòng)狀態(tài)工況。飛輪殼各零部件之間的接觸方式除螺栓設(shè)置為綁定且不可分離外，其他各零部件之間都設(shè)置為小滑移可分離的接觸方式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值摩擦系數(shù)都設(shè)置為0.22，所有零部件的加載分析步都設(shè)置為1～7步(如表3所示)。

表3 分析步設(shè)置

2 邊界、載荷設(shè)置

2.1 螺栓預(yù)緊力

飛輪殼與變速箱法蘭、齒輪室、機(jī)體分別由12顆M10螺栓，15顆M10螺栓、7顆M12螺栓連接；前懸置支腳與機(jī)體由6顆M12螺栓連接；后懸置支腳與飛輪殼由8顆M12螺栓連接。據(jù)該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)文件可計(jì)算螺栓預(yù)緊力[4]。

M10螺栓擰緊力矩取70 N·m，則螺栓預(yù)緊力為：

M12螺栓擰緊力矩取135 N·m，則螺栓預(yù)緊力為：

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱質(zhì)心及質(zhì)量

經(jīng)測(cè)量得到，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心為(19.59，161.57，195)，質(zhì)量為420 Kg；變速箱質(zhì)心為(1.92，-47.09，-466.07)質(zhì)量為122.2 kg。綜合考慮各方向所承受的重力大小，參考以往的經(jīng)驗(yàn)值，在上下方向加載5倍重力加速度，前后左右各加載3倍重力加速度。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)前后懸置剛度

根據(jù)文獻(xiàn)[5]所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)力學(xué)模型，綜合考慮激勵(lì)頻率、預(yù)載荷、動(dòng)態(tài)載荷幅值以及溫度等影響懸置元件剛度的四個(gè)工況因素，通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試，得到發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置剛度設(shè)置為：X方向?yàn)?80 N/mm，Y方向?yàn)?50 N/mm，Z方向?yàn)?50 N/mm；后懸置剛度設(shè)置為：X方向?yàn)?14 N/mm，Y方向?yàn)?00 N/mm，Z方向?yàn)?21 N/mm。

2.4 各部件連接設(shè)置

螺栓法蘭面和支腳、變速箱法蘭、飛輪殼接觸面、螺栓螺紋與螺紋孔采用Tie連接，前支腳與部分機(jī)體、后支腳與飛輪殼、變速箱法蘭與飛輪殼、齒輪室與部分機(jī)體、齒輪室與飛輪殼采用小滑移連接，發(fā)動(dòng)機(jī)采用質(zhì)心代替并與發(fā)動(dòng)機(jī)Coupling耦合，變速箱采用質(zhì)心代替與變速箱法蘭Coupling耦合，起動(dòng)機(jī)采用質(zhì)心代替并與起動(dòng)機(jī)Coupling耦合，空壓機(jī)采用質(zhì)心代替并與空壓機(jī)Coupling耦合，支腳與懸置點(diǎn)Coupling耦合，懸置支腳采用點(diǎn)到點(diǎn)彈簧連接，同時(shí)全約束連接點(diǎn)自由度。本文邊界條件的施加如圖4所示。

圖4 邊界條件的施加圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

利用Abaqus軟件計(jì)算7個(gè)分析步：螺栓預(yù)緊力、向上振動(dòng)、向下振動(dòng)、向左振動(dòng)、向右振動(dòng)、向前振動(dòng)和向后振動(dòng)。上下方向加載5倍重力集中力、左右與前后方向加載3倍重力集中力。選取螺栓預(yù)緊力、向上振動(dòng)、向左振動(dòng)和向前振動(dòng)4個(gè)分析步的應(yīng)力云圖顯示如圖5所示。從圖中可知，各個(gè)分析步的應(yīng)力值的分布差別不是很大。

圖5 4個(gè)分析步的飛輪殼應(yīng)力云圖

3.2 靜強(qiáng)度安全系數(shù)結(jié)果

將應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT，利用TRANSMAX模塊計(jì)算飛輪殼靜強(qiáng)度安全系數(shù)，飛輪殼的靜強(qiáng)度安全系數(shù)云圖如圖6所示。忽略螺栓孔位置，最小靜強(qiáng)度安全系數(shù)為0.50，小于安全標(biāo)準(zhǔn)1.2，因此，從靜強(qiáng)度安全系數(shù)判斷，該飛輪殼不滿足工作要求。

圖6 飛輪殼的靜強(qiáng)度安全系數(shù)云圖

3.3 疲勞安全系數(shù)結(jié)果

將應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT，利用TRANSMAX模塊計(jì)算飛輪殼疲勞安全系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 飛輪殼的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)云圖

據(jù)飛輪殼的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)云圖，忽略螺栓孔位置可知除支腳處，其他位置最小安全系數(shù)為0.91，不滿足≥1.20的安全標(biāo)準(zhǔn)。而針對(duì)支腳處，計(jì)算按上下方向加載2倍重力集中力、左右與前后方向加載1倍重力集中力進(jìn)行疲勞計(jì)算，結(jié)果如圖7所示，最小安全系數(shù)僅為0.48，不滿足疲勞強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論及結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

4.1 計(jì)算結(jié)論

(1)通過對(duì)螺栓預(yù)緊力、向上振動(dòng)、向下振動(dòng)、向左振動(dòng)、向右振動(dòng)、向前振動(dòng)和向后振動(dòng)等7個(gè)分析步的應(yīng)力計(jì)算發(fā)現(xiàn)各分析步的應(yīng)力分布相差不大。

(2)忽略螺栓孔位置，飛輪殼的最小靜強(qiáng)度安全系數(shù)為0.50，不滿足≥1.20的安全標(biāo)準(zhǔn)，因此，該輪殼不滿足靜強(qiáng)度要求。

(3)忽略螺栓孔位置，飛輪殼的最小疲勞安全系數(shù)為0.48，不滿足≥1.20的安全標(biāo)準(zhǔn)，因此，該飛輪殼不滿足疲勞強(qiáng)度要求。

(4)該飛輪殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，是導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的主要原因，需要對(duì)該飛輪殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，找出了飛輪殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱位置，為提高飛輪殼的整體質(zhì)量，建議從以下兩方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。一是加大飛輪殼內(nèi)圈圓角；二是對(duì)飛輪殼支腳位置(圖7左側(cè)放大圖所示)進(jìn)行加厚優(yōu)化處理。