楊獻學(xué)　郭文天　曹寓

摘 要：針對大功率柴油發(fā)動機前端輪系自動張緊機構(gòu)，分析了其在系統(tǒng)中的功能、設(shè)計指標、試驗要求等，并以此開展了自動張緊機構(gòu)渦簧關(guān)鍵件的設(shè)計，通過有限元分析計算、臺架可靠性摸底試驗和實際裝機可靠性試驗測試，自動張緊機構(gòu)的各項指標滿足大功率柴油發(fā)動機前端輪系設(shè)計要求，達到了設(shè)計目標。通過本次研究，形成的設(shè)計和實驗方法為后期類似產(chǎn)品開發(fā)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：大功率柴油發(fā)動機;自動張緊機構(gòu);有限元法;可靠性試驗中圖分類號：U461.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-90-04

Abstract：?As to the automatic tightening mechanism of front end wheel for high power diesel engine， the function in the system， the design indicators and the test requirements is analyzed， and in this way the design of the key component of the vortex spring of automatic tensioning mechanism is carried out. Through the finite element analysis calculation， the reliabi?-lity test of the platform and the actual installation reliability test， the various indices of the automatic tensioning mechanism are met and the design goals are achieved. By the time of this study， the design and experimental method used in this paper provide the basis for similar product development in the later stage.Keywords： High power diesel engine; Automatic tightening mechanism; The finite element analysis; The reliability testCLC NO.：?U461.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-90-04

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，大功率柴油發(fā)動機在我國多個廠家已研制成功并批量投放市場應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)水平的提高，發(fā)動機的可靠性得到了大幅的提升，在追求本體可靠的同時，其附件的可靠性也嚴重影響著整機的可靠性，影響著用戶的使用。

本文以柴油發(fā)動機前端輪系為對象，通過梳理自動張緊機構(gòu)的功能、設(shè)計指標、試驗要求等，設(shè)計出自動張緊機構(gòu)中渦簧關(guān)鍵零件，并經(jīng)仿真分析、可靠性試驗測試，驗證其結(jié)構(gòu)滿足柴油發(fā)動機前端輪系系統(tǒng)匹配要求，并具備較高的可靠性，能很好的適用于大功率柴油發(fā)動機。

2 前端輪系組成及功能

發(fā)動機前端輪系位于發(fā)動機前端，通常由皮帶、張緊輪、導(dǎo)輪及帶輪組成，其作用是將曲軸的動力通過皮帶分別傳遞給水泵帶輪，發(fā)動機風扇輪帶輪、發(fā)電機帶輪和空調(diào)壓縮機帶輪，驅(qū)動這些系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)中通過固定的導(dǎo)輪和張緊輪對皮帶進行導(dǎo)向和壓緊，利用皮帶的摩擦力傳遞曲軸的轉(zhuǎn)矩，皮帶驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

張緊輪的作用是壓緊皮帶，使其在發(fā)動機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持良好的張緊力和平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由基座、回位彈簧、搖臂、減振組件、皮帶輪組件等組成，張緊機構(gòu)主要是通過內(nèi)部的回位彈簧力實時對皮帶進行壓緊，所以前端輪系皮帶能否很好的傳遞動力，關(guān)鍵就取決于回位彈簧的能力。

3 張緊機構(gòu)張緊彈簧設(shè)計

3.1 彈簧載荷

根據(jù)發(fā)動機前端輪系設(shè)計要求，張緊機構(gòu)張緊彈簧的參數(shù)要求如表1所示：

3.2 張緊彈簧參數(shù)設(shè)計

張緊機構(gòu)張緊彈簧為渦卷型式，由于非接觸型渦卷彈簧剛度較為穩(wěn)定，使用壽命長，所以此類彈簧通常采用非接觸型渦卷彈簧，渦卷彈簧按以下公式進行參數(shù)設(shè)計。

4 渦卷彈簧計算驗證

4.1?有限元計算

張緊機構(gòu)在前端輪系中是一個多角度多工況工作模式，其工作時受發(fā)動機轉(zhuǎn)速、皮帶的松緊等因素影響，張緊機構(gòu)渦簧受力隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)角也不斷增大，動力學(xué)仿真結(jié)果見圖3所示，本次計算選取發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速下、張緊機構(gòu)旋轉(zhuǎn)到最大角度工況進行渦簧計算，計算實體模型如圖4所示。

采用有限元法對渦簧進行計算分析，有限元計算模型如圖5所示，計算結(jié)果如圖6所示。從計算結(jié)果可以看出，渦簧在極限工況下應(yīng)力過度相對平緩，在靠近內(nèi)圈固定端約1/3圓周上應(yīng)力相對較大，分布于渦簧簧片兩側(cè)，經(jīng)過應(yīng)力拾取應(yīng)力最大約為932MPa，小于材料的屈服極限1180MPa，滿足設(shè)計要求。

4.2 試驗驗證

4.2.1?可靠性摸底試驗

設(shè)計的渦簧張緊機構(gòu)依據(jù)中值載荷對其進行了臺架可靠性摸底試驗，試驗載荷為工作位擺動到最大限位，試驗頻率為35Hz，如圖7所示將4套張緊機構(gòu)安裝在扭轉(zhuǎn)臺上進行試驗。試驗進行到478h時，3號和4號試驗件出現(xiàn)繩索松弛，試驗到552h時，1號和2號試驗件出現(xiàn)繩索松弛，對試驗件進行拆解檢查發(fā)現(xiàn)均為渦簧斷裂，斷裂位置為計算的高應(yīng)力區(qū)。

4.2.2?裝機可靠性試驗

設(shè)計的渦簧張緊機構(gòu)依據(jù)《發(fā)動機機械開發(fā)規(guī)范中柴油機前端輪系可靠性試驗》要求，隨發(fā)動機前端輪系進行了200h瞬態(tài)耐久循環(huán)試驗測試，如圖8所示，試驗中測試張緊輪臂振動，皮帶對齊度、抖動、張緊力和磨損均滿足要求，表3給出了可靠性試驗的測試數(shù)據(jù)。

對試驗后的渦簧張緊結(jié)構(gòu)進行拆解檢查，狀態(tài)如圖9所示，張緊機構(gòu)零部件無裂紋，軸承轉(zhuǎn)動靈活無明顯磨損痕跡，帶輪無偏磨現(xiàn)象，達到了系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)分析柴油發(fā)動機前端輪系工作原理及載荷，梳理出渦簧張緊機構(gòu)的設(shè)計要求，并以此確定渦簧結(jié)構(gòu)各參數(shù)，后經(jīng)有限元分析、臺架摸底試驗和實物裝機測試試驗表明，設(shè)計的渦簧自動張緊機構(gòu)滿足大功率柴油發(fā)動機前端輪系可靠性要求，同時以此形成的渦簧張緊機構(gòu)設(shè)計計算及試驗方法，可以指導(dǎo)后續(xù)同類產(chǎn)品的開發(fā)。

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