基于有限元的驅(qū)動端蓋的改進(jìn)設(shè)計

章思超（長沙汽車電器研究所有限公司，湖南 長沙　410100）

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基于有限元的驅(qū)動端蓋的改進(jìn)設(shè)計

章思超
（長沙汽車電器研究所有限公司，湖南 長沙410100）

摘要：針對一款起動機(jī)在掃頻振動試驗(yàn)時發(fā)生的斷裂失效現(xiàn)象，運(yùn)用有限元方法對其三維模型進(jìn)行分析計算，解釋其失效原因，提出解決方案并予以驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：起動機(jī)；有限元；掃頻振動；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

驅(qū)動端蓋是起動機(jī)上起連接作用的重要零件，其材料通常使用鑄鋁或鑄鐵。依據(jù) 《汽車電器設(shè)備基本技術(shù)條件》要求，起動機(jī)應(yīng)能經(jīng)受掃頻振動試驗(yàn)后無損壞。現(xiàn)有一款起動機(jī)在掃頻振動試驗(yàn)中，驅(qū)動端蓋發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。為了滿足設(shè)計和使用要求，我們需要找到原因并改進(jìn)。

針對該款起動機(jī)在掃頻振動試驗(yàn)時發(fā)生的失效，也有其他工程師對其做出改進(jìn)，但是普通的分析方法和經(jīng)驗(yàn)判斷難以找到問題的根源。采用有限元方法對汽車電器產(chǎn)品進(jìn)行模擬分析，能夠在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計過程就找到潛在的問題，為適應(yīng)現(xiàn)代汽車電器廠家縮減產(chǎn)品開發(fā)周期和成本提供強(qiáng)有力的支持。

1　驅(qū)動端蓋結(jié)構(gòu)的概述

驅(qū)動端蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造材料為GD-AlSi12（Cu），上部分開有3個錐型通孔，用于固定電磁開關(guān)，下部分用于安裝外殼和單向器等。在零件各薄弱環(huán)節(jié)設(shè)置有加強(qiáng)筋，如圖1所示。

圖1　驅(qū)動端蓋示意圖

2　驅(qū)動端蓋的失效分析

2.1掃頻振動損壞后的斷口狀況

在經(jīng)受掃頻振動試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端蓋上靠近電磁開關(guān)處發(fā)生了斷裂的現(xiàn)象。表現(xiàn)為整個電磁開關(guān)及其連接部分從驅(qū)動端蓋上脫落下來。再觀察斷口表面的特征，發(fā)現(xiàn)斷口的上部分表面不平整，呈結(jié)晶狀；下部分表面較為平整，但由于振動時的摩擦，表面被一層黑色物質(zhì)覆蓋，無法觀察到表面的具體特征。我們可以初步判斷該斷裂屬于疲勞失效，且斷口上部分為瞬時斷裂區(qū)，下部分為疲勞源區(qū)。斷口如圖2所示。并初步選出6個假定疲勞斷裂源區(qū)并予以標(biāo)記。

圖2　斷口視圖

2.2驅(qū)動端蓋的有限元分析及優(yōu)化

略去端蓋上多個不重要的圓角及倒角，盡可能簡化模型，再對初步判斷的疲勞斷裂源區(qū)的網(wǎng)格大小進(jìn)

行控制，得到網(wǎng)格劃分好的有限元模型如圖3所示。

3　振動試驗(yàn)的模擬

參照 《汽車電器設(shè)備基本技術(shù)條件》3.12條的規(guī)定，模擬起動機(jī)掃頻振動試驗(yàn)的加載方式如表1所示。

圖3　驅(qū)動端蓋有限元模型

表1　方向、加速度對照表

依據(jù)鑄鋁的疲勞極限經(jīng)驗(yàn)公式，定義其在106次的σmax

式中：σ-1——光滑試樣的對稱彎曲疲勞強(qiáng)度；K——修正系數(shù) （0.25～0.4），取0.25；σb——抗拉強(qiáng)度。

定義其在106次的σmax=σ-1并對模型進(jìn)行分析計算，得到應(yīng)力云圖、疲勞壽命云圖 （圖4）和6個薄弱位置的最大應(yīng)力 （表2）。

圖4　應(yīng)力、疲勞壽命云圖

表2　最大應(yīng)力值對照表

4　分析及優(yōu)化

對比計算結(jié)果，可以看到1、2處 （即驅(qū)動端蓋上安裝電磁開關(guān)處下方兩個通孔開口）附近有非常大的應(yīng)力集中，并且在X向振動時應(yīng)力幅值明顯超過材料的疲勞極限。對比試驗(yàn)實(shí)例可以確定是該處的應(yīng)力集中導(dǎo)致驅(qū)動端蓋的疲勞破壞。

觀察應(yīng)力集中處的特征，為了保證電磁開關(guān)的位置和零件的加工性能，提出增加凸臺長度和優(yōu)化凸臺形狀兩種加強(qiáng)方案，如圖5所示。并對改進(jìn)方案進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示應(yīng)力集中處最大應(yīng)力分別為23MPa 和15.9MPa；較之前減少25.3％和48.4％。并且優(yōu)化凸臺形狀后，其應(yīng)力幅值已小于材料的疲勞極限?？梢耘袛鄡?yōu)化凸臺形狀后的驅(qū)動端蓋可靠。

圖5　優(yōu)化后的驅(qū)動端蓋的結(jié)構(gòu)

5　結(jié)論

1）本文對汽車電器產(chǎn)品開發(fā)過程中進(jìn)行的振動模擬仿真具有一定指導(dǎo)意義。

2）針對驅(qū)動端蓋振動斷裂的現(xiàn)象，也有工程師對其采取增加幅板厚度的措施，但以往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行的改善缺乏依據(jù)達(dá)不到理想的效果。采用有限元方法能快速準(zhǔn)確地找到問題所在，減少產(chǎn)品開發(fā)周期。

3）優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有效改善了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，顯著提升了驅(qū)動端蓋的疲勞壽命，滿足了產(chǎn)品開發(fā)、使用要求。

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（編輯心翔）

中圖分類號：U464.149

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0051－02

收稿日期；2016-02-02；修回日期：2016-03-07

作者簡介：章思超，男，工程師，主要從事汽車起動機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)計開發(fā)工作。

Improvement Design of Driving End Shield Based on FEM

ZHANG Si-chao
（Changsha Auto Electric Research Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

Abstract：Focusing on a fracture failure occurred in the frequency sweep vibration test of a starter，this paper uses FEM to conduct 3D model analysis to explain the failure reason，put forward relevant solutions with verification.

Key words：starter；FEM；frequency sweep vibration；structural improvement