發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼道路載荷譜試驗(yàn)分析研究*

牛健，俞小莉，黃瑞，馮燕，陳俊玄，劉震濤，周迅

(浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車(chē)輛工程研究所，浙江杭州310027)

0 引言

飛輪殼連接發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，保護(hù)離合器和飛輪，而且還設(shè)有懸置點(diǎn)和起動(dòng)機(jī)安裝支架，是重要的基礎(chǔ)部件。在整車(chē)工作過(guò)程中，飛輪殼受到發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、路面激勵(lì)、變速慣性轉(zhuǎn)矩以及啟動(dòng)機(jī)的沖擊激勵(lì)等載荷，均可能使飛輪殼產(chǎn)生交變應(yīng)力，從而導(dǎo)致疲勞斷裂。飛輪殼開(kāi)裂后，將直接破壞曲軸與變速器第一軸的同軸度，造成發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、起動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)裝置工作失常等故障。因此必須對(duì)飛輪殼破壞原因做深入研究，找到一種適合評(píng)價(jià)飛輪殼破壞的分析流程，為其故障診斷、壽命估計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供必要的理論依據(jù)。

目前，現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)方法［1-2］已經(jīng)廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有限元［3］、多體動(dòng)力學(xué)與路譜技術(shù)［4］的發(fā)展，有利于設(shè)計(jì)者短時(shí)間把握新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能。耿廣瑞［5］和賈朝軍［6］利用有限元法分別計(jì)算了飛輪殼靜態(tài)與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度;隋軍［7］、張旭升［8］、高云凱［9］等分別對(duì)不同車(chē)型動(dòng)力總成進(jìn)行了試驗(yàn)或計(jì)算模態(tài)分析，認(rèn)為動(dòng)力總成的彎曲振動(dòng)是造成汽車(chē)離合器殼開(kāi)裂的主要原因;李洪濤等［10］通過(guò)對(duì)某型客車(chē)飛輪殼載荷譜的分析得出飛輪殼的破壞是由路面隨機(jī)激勵(lì)造成的。以上研究主要采用有限元計(jì)算方法和模態(tài)分析方法進(jìn)行飛輪殼強(qiáng)度分析，較少?gòu)膶?shí)測(cè)應(yīng)力譜中分析飛輪殼破壞的機(jī)理。國(guó)外針對(duì)飛輪殼強(qiáng)度研究公開(kāi)發(fā)表的成果很少，飛輪殼作為一種薄壁結(jié)構(gòu)件，主要關(guān)注其N(xiāo)VH性能［11］。

本研究開(kāi)發(fā)高精度、高實(shí)時(shí)性型號(hào)采集系統(tǒng)，采集某重型卡車(chē)在一個(gè)完整運(yùn)輸過(guò)程中的應(yīng)力譜;對(duì)該應(yīng)力譜進(jìn)行修正處理，并提取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào);分析應(yīng)力譜時(shí)頻特性，提取導(dǎo)致?lián)p傷的振源信息;考察振動(dòng)損傷與路況、載荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

1 飛輪殼載荷譜采集及處理

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分為:一臺(tái)便攜式筆記本、一套美國(guó)NI公司的多通道便攜型數(shù)據(jù)采集器Compact-DAQ機(jī)箱及適用于應(yīng)變信號(hào)采集的9237和9945板卡組成［12］。軟件部分采用LabVIEW編程進(jìn)行控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.2 測(cè)試方案

測(cè)試對(duì)象為某型重卡搭載的飛輪殼，試驗(yàn)車(chē)基本參數(shù)如表1所示，飛輪殼材料力學(xué)性能如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用車(chē)基本參數(shù)

表2 測(cè)試飛輪殼材料力學(xué)性能

載重卡車(chē)實(shí)際作業(yè)工況多為道路行駛，為全面考察不同路況下飛輪殼振動(dòng)響應(yīng)，本研究選擇測(cè)試地點(diǎn)為某大型礦區(qū)。測(cè)試路面分為兩段:公路(HIGHWAY)和河床路面(RIVERBED)。其中，公路路面為混凝土鋪設(shè)道路，較為平整;河床路面為河床自然形成的無(wú)鋪設(shè)軟基道路，有較大程度的扭曲度和坑洼。公路路面構(gòu)造波長(zhǎng)約為1 mm～10 mm，礦區(qū)路面構(gòu)造波長(zhǎng)約為100 mm～500 mm，分別對(duì)應(yīng)國(guó)際耐久性協(xié)會(huì)(PLARC)給出的路面構(gòu)造分類(lèi)中的“粗紋理”路面和“大構(gòu)造”路面，是載重卡車(chē)運(yùn)行的典型路面。

本研究隨車(chē)測(cè)量了重卡一個(gè)正常礦砂轉(zhuǎn)運(yùn)工作循環(huán)中的應(yīng)力歷程，分為空載河床路面、滿載河床路面、滿載公路路面3段。

本研究通過(guò)對(duì)已破壞飛輪殼斷裂位置的統(tǒng)計(jì)觀測(cè)并結(jié)合頻率響應(yīng)分析，確定了10個(gè)測(cè)點(diǎn)，編為1～10號(hào)，實(shí)際斷裂位置與頻響分析示意圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示。由于飛輪殼內(nèi)部空間局限性，本研究選擇其中3、6、9為應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)為單向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)。

圖2 實(shí)際斷裂位置與頻響分析示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.3 測(cè)試結(jié)果

本研究通過(guò)測(cè)量得到各測(cè)點(diǎn)在空載河床路面、滿載河床路面、滿載公路路面應(yīng)變信號(hào)，其采樣率為2 000 SPS。其中3號(hào)應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)沿飛輪殼徑向應(yīng)變時(shí)間歷程樣本如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)3在3個(gè)工況下應(yīng)變信號(hào)樣本

1.4 載荷譜預(yù)處理

由于車(chē)載實(shí)驗(yàn)易受各種外界因素干擾，實(shí)測(cè)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)尖峰干擾、平整線突起或跌落和溫度漂移等，首先需要對(duì)它們進(jìn)行剔除或修正。

尖峰干擾表現(xiàn)為一個(gè)或少量的數(shù)據(jù)點(diǎn)突然聳起或跌落，通過(guò)差分對(duì)比、峰值系數(shù)、幅值設(shè)限等算法，可對(duì)尖峰位置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。平整線突起或跌落表現(xiàn)為成塊的數(shù)據(jù)陡然上凸或下凹，通過(guò)差分移動(dòng)窗統(tǒng)計(jì)法可對(duì)Flat-line異常信號(hào)的位置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。溫度漂移表現(xiàn)為數(shù)據(jù)整體向某一方向偏移，可能是隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行飛輪殼溫度變化等因素引起，本研究以?xún)啥它c(diǎn)為參考點(diǎn)，分段擬合線性或多項(xiàng)式的趨勢(shì)項(xiàng)對(duì)溫漂進(jìn)行修正。

本研究利用帶通濾波、零水平穿級(jí)計(jì)數(shù)方法提取各工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速［13］。

2 應(yīng)力譜信號(hào)分析

2.1 平面應(yīng)力分析

飛輪殼材料HT250為珠光體灰鑄鐵，本研究采用第一強(qiáng)度理論，以最大主應(yīng)力作為飛輪殼失效破壞的判斷依據(jù)。第3、6、9號(hào)測(cè)點(diǎn)為應(yīng)變花測(cè)點(diǎn)，各個(gè)應(yīng)變片夾角45°，設(shè)定沿飛輪殼徑向應(yīng)變片方向?yàn)榈玫街鲬?yīng)變的大小方向?yàn)棣?=0°，α2=45°，α90=90°，則該點(diǎn)主應(yīng)力大小與方向?yàn)?

采用C++編程，由應(yīng)變信號(hào)求得的最大主應(yīng)力角度如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)3最大主應(yīng)力角度分布

圖5中，橫坐標(biāo)表示最大主應(yīng)力角度，左側(cè)縱坐標(biāo)表示應(yīng)力值，右縱坐標(biāo)表示統(tǒng)計(jì)頻數(shù)。由圖5可見(jiàn)最大主應(yīng)力角度集中在±45°，有明顯的單軸性。

最大主應(yīng)力時(shí)間歷程如圖6所示。各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力均遠(yuǎn)小于飛輪殼極限強(qiáng)度，其表明飛輪殼破壞并非由于外力作用下直接脆斷，而是在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。

圖6 測(cè)點(diǎn)3最大主應(yīng)力時(shí)間歷程

2.2 載荷幅值譜函數(shù)

頻譜分析是將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域的分析方法，通過(guò)離散信號(hào)傅里葉變換可以得到振動(dòng)幅值、功率等隨頻率的變化特征，進(jìn)行振源識(shí)別，同時(shí)得到不同頻率激振源對(duì)飛輪殼振動(dòng)影響的大小。本研究采用測(cè)點(diǎn)應(yīng)變作為飛輪殼振動(dòng)強(qiáng)弱的判斷標(biāo)準(zhǔn)，3號(hào)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在3個(gè)工況下的應(yīng)變幅值譜如圖7所示。

圖7 3號(hào)測(cè)點(diǎn)載荷幅值譜函數(shù)

對(duì)飛輪殼造成破壞的主要因素為80 Hz以下的低頻振動(dòng)，峰值位于40 Hz～50 Hz;在空載時(shí)的振動(dòng)整體小于滿載工況。實(shí)驗(yàn)用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 200 r·min-1，工作轉(zhuǎn)速范圍600 r·min-1～2 400 r·min-1，對(duì)應(yīng)10 Hz～40 Hz振動(dòng)激勵(lì)，在幅值譜圖上處于振動(dòng)幅值較大區(qū)域，故發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)對(duì)飛輪殼振動(dòng)影響顯著;40 Hz～80 Hz振動(dòng)可能為其他來(lái)源的激勵(lì)，也可能是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中燃?xì)鈮毫?、活塞敲擊等高諧次激振源引起。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)激振相關(guān)性分析

為進(jìn)一步考察飛輪殼振動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)聯(lián)，本研究做出的振動(dòng)信號(hào)瀑布圖(圖中顏色由冷色到暖色表示振動(dòng)幅值由小變大)如圖8所示。

圖8 3號(hào)測(cè)點(diǎn)滿載河床路段瀑布圖

該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸機(jī)，本研究重點(diǎn)考察其1、3、6階諧次激勵(lì)。由瀑布圖看出，飛輪殼的振動(dòng)并非與特定頻率相關(guān)，而是與發(fā)動(dòng)機(jī)的諧次線貼合密切，表明飛輪殼損壞主要受發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的影響。振動(dòng)幅值較大點(diǎn)集中在2200 r/min以上的高轉(zhuǎn)速區(qū)域，表明發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可能是影響飛輪殼振動(dòng)情況的最重要影響因素。

由1.4節(jié)提取的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與2.1節(jié)應(yīng)變花平面應(yīng)力分析，作出各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖如圖9所示。隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，飛輪殼危險(xiǎn)部位應(yīng)力值顯著增加。其原因可能為動(dòng)力總成系統(tǒng)模態(tài)偏低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，振動(dòng)頻率增加，接近系統(tǒng)固有模態(tài)。

圖9 最大主應(yīng)力-轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)飛輪殼近似處于單軸應(yīng)力狀態(tài);飛輪殼失效原因?yàn)榻蛔冚d荷作用下的疲勞破壞。

(2)對(duì)飛輪殼造成破壞的主要因素為80 Hz以下的低頻振動(dòng)，主要振動(dòng)激勵(lì)源為發(fā)動(dòng)機(jī)。

(3)飛輪殼應(yīng)力值在不同運(yùn)行環(huán)境下有顯著差異，高不平度路面大于低不平度路面，滿載工況大于空載工況，高轉(zhuǎn)速工況大于第轉(zhuǎn)速工況;尤其是在滿載高不平度路面，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min時(shí)部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到20 MPa以上，產(chǎn)生疲勞損傷。

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