減震皮帶輪有限元分析

蘇曉芳，許濤，王會(huì)

（1.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042）

減震皮帶輪有限元分析

蘇曉芳1，許濤1，王會(huì)2

（1.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042）

∶文章對某汽油機(jī)的減震皮帶輪的進(jìn)行了有限元分析，具體分析項(xiàng)目主要包括靜強(qiáng)度校核以及疲勞校核。計(jì)算結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力小于材料的拉伸極限，最小主應(yīng)力絕對值小于材料壓縮極限，兩個(gè)計(jì)算工況的最小疲勞安全系數(shù)均滿足評價(jià)指標(biāo)。

∶減震皮帶輪；有限元；靜強(qiáng)度；疲勞

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.030

CLC NO.: U464.171Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-80-03

前言

減震皮帶輪是發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中最重要的零件之一，一方面將曲軸輸出的動(dòng)力傳遞給壓縮機(jī)、水泵、發(fā)電機(jī)等部件外，另一方面還將曲軸輸出的動(dòng)力傳遞給凸輪軸，驅(qū)動(dòng)正時(shí)系統(tǒng)，此外，減震皮帶輪最重要的作用就是減震，為了減少因發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊震動(dòng)，會(huì)在普通的全鐵皮帶輪上，在中間環(huán)形切開成內(nèi)外兩個(gè)部分，在內(nèi)外兩部分的中間（空隙里）填充上橡膠，也就是一橡膠層。這樣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力首先傳到皮帶輪內(nèi)圈，再轉(zhuǎn)到中間層減振橡膠，再從減振橡膠傳到外圈。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和響聲就會(huì)因橡膠“層緩”后在鐵質(zhì)外圈得到減小， 從而降低了噪音和緩解了震動(dòng)沖擊力。本文將對某汽油機(jī)的減震皮帶輪進(jìn)行有限元分析，校核皮帶輪輪轂的強(qiáng)度。

1、分析過程

減震皮帶輪的有限元分析，具體分析項(xiàng)目有靜強(qiáng)度校核以及疲勞校核，其中靜強(qiáng)度校核主要考察減震皮帶輪在最大皮帶力、最大扭矩以及最大曲軸軸向力作用下的應(yīng)力，而疲勞校核主要是考察皮帶輪在最小皮帶力、最大最小曲軸軸向力、最大最小扭矩等動(dòng)態(tài)力作用下的輪轂疲勞。

1.1劃分網(wǎng)格

為了節(jié)省計(jì)算成本，本次計(jì)算中對三維模型進(jìn)行一定的簡化，將曲軸沿第一主軸承中心橫截面截?cái)?，保留前部分。通過Abaqus對簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為C3D10M，網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2施加載荷

靜力計(jì)算工況及加載情況：第一步加載最大螺栓載荷（165000N）和最大皮帶載荷（915N），第二步加載最大螺栓載荷（165000N）和最大軸向載荷（2000N）以及最大扭矩載荷（189000Nmm）。

圖1　減震皮帶輪網(wǎng)格模型

疲勞計(jì)算工況及加載情況：

（1）加載皮帶力工況：第一步加載最大螺栓載荷（165000N）和最小皮帶載荷（0N），第二步加載最大螺栓載荷（165000N）和最大皮帶載荷（915N）。

（2）加載軸向力及扭矩工況：在加載最大螺栓載荷的基礎(chǔ)上，第一步加載最小軸向載荷（0N）和最小扭矩載荷（0Nmm），第二步加載最大軸向載荷（2000N）和最大扭矩載荷（189000Nmm）。

加載情況如圖2、3所示。

圖2　加載扭矩和曲軸軸向力示意圖

圖3　加載皮帶力示意圖

1.3材料屬性

材料屬性詳見表1。

表1　材料屬性

2、結(jié)果分析

2.1加載皮帶力

圖4所示的是最小主應(yīng)力云圖，主要考察壓縮應(yīng)力是否超標(biāo)。從圖中可以看到除了和螺栓墊片以及鏈輪軸接觸的部位壓應(yīng)力超過材料壓縮極限840MPa外，其它區(qū)域均在壓縮極限以內(nèi)。而和螺栓墊片以及鏈輪軸接觸的部位屬于接觸面的邊緣，應(yīng)力計(jì)算誤差較大，一般在計(jì)算中不考慮這些區(qū)域。

圖5所示的是最大主應(yīng)力云圖，考察拉伸應(yīng)力是否超標(biāo)。從圖中可見除了鍵槽部位的拉應(yīng)力超過材料拉伸極限250MPa外，并未發(fā)現(xiàn)其它危險(xiǎn)區(qū)域。同樣，鍵槽部位也不考慮。

圖4　皮帶輪轂最小主應(yīng)力云圖——加載皮帶力

圖5　皮帶輪轂最大主應(yīng)力云圖——加載皮帶力

圖6所示的是加載皮帶力時(shí)的減震皮帶輪輪轂內(nèi)圈最小安全系數(shù)，從圖中可見最小安全系數(shù)為1.18，在鍵槽部位，滿足大于1.1的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6　皮帶輪轂最小安全系數(shù)——加載皮帶力

2.2加載扭矩及軸向力

圖7所示的是最小主應(yīng)力云圖，從圖中可以看到除了和上述一樣的接觸接觸面部位以外，壓應(yīng)力均在材料壓縮極限840MPa以內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域。

圖7　皮帶輪內(nèi)圈的最小主應(yīng)力云圖——加載最大扭矩及軸向力

圖8所示的是最大主應(yīng)力云圖，從圖中可見除了鍵槽部位以外，拉應(yīng)力均在材料拉伸極限250MPa以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域。

圖9所示的是加載扭矩及軸向力時(shí)的減震皮帶輪輪轂內(nèi)圈最小安全系數(shù)，從圖中可見最小安全系數(shù)為1.24，在鍵槽部位，滿足大于1.1的標(biāo)準(zhǔn)。

圖8　皮帶輪內(nèi)圈的最大主應(yīng)力云圖——加載最大扭矩及軸向力

圖9　皮帶輪輪轂的最小安全系數(shù)——加載扭矩及軸向力

3、結(jié)論

靜強(qiáng)度計(jì)算顯示：加載皮帶力工況，以及加載曲軸軸向力和最大扭矩工況下，最大主應(yīng)力小于材料的拉伸極限，最小主應(yīng)力絕對值小于材料壓縮極限。（由螺栓預(yù)緊力導(dǎo)致的接觸面上的壓力，以及平鍵過盈配合導(dǎo)致的拉伸力不予考慮）

加載皮帶力工況的疲勞計(jì)算顯示：最小疲勞安全系數(shù)為1.18，出現(xiàn)在鍵槽位置，滿足大于1.1的標(biāo)準(zhǔn)。

加載扭矩及軸向力工況的疲勞計(jì)算顯示：最小疲勞安全系數(shù)為1.24，出現(xiàn)在鍵槽位置，滿足大于1.1的標(biāo)準(zhǔn)。

通過有限元計(jì)算，結(jié)果顯示該減震皮帶輪滿足各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，因此能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1998,10.

[2] 韋瑩. 9L210柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度計(jì)算及疲勞分析[J]內(nèi)燃機(jī)與配件, 2015(05).

Finite Element Analysis on Damping Pulley

Su Xiaofang1, Xu Tao1, Wang Hui2
(1.Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601; 2.Beijing Polytechnic College, Beijing 100042)

The article had a finite element analysis on damping pulley. Analysis work included static strength check and fatigue check. The results indicated that maximum principle stress was less than ultimate tensile strength and minimum principle stress was less than ultimate compressive strength, at the same time fatigue safety factor met evaluation standard at two work condition.

Damping Pulley; Finite Element; Static Strength; Fatigue

∶U464.171

∶A

∶1671-7988 (2016)09-80-03

蘇曉芳（1985—），女，中級工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事汽油機(jī)設(shè)計(jì)。