中重卡飛輪殼開裂研究與分析

章志才，余仕俠，陳開超，黨菲

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

中重卡飛輪殼開裂研究與分析

章志才，余仕俠，陳開超，黨菲

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以安徽、江蘇地區(qū)市場(chǎng)上批量反饋攪拌車飛輪殼開裂故障為研究對(duì)象，從飛輪殼所受彎矩、懸置的布置、剛度匹配及整車[1]工況等幾個(gè)方面來研討了飛輪殼開裂的原因。根據(jù)分析結(jié)果，制定了相應(yīng)的解決方案，并最終解決了該故障，給類似問題的解決提供了思路。

懸置；飛輪殼；開裂

CLC NO.:U463.34Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-213-04

引言

飛輪殼開裂的原因主要是飛輪殼受到了異常的扭力或振動(dòng)造成部分地區(qū)應(yīng)力集中，超出了其許用應(yīng)力；根據(jù)前期的市場(chǎng)調(diào)查和分析可以初步得出飛輪殼開裂的可能原因有以下幾點(diǎn)：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的懸置設(shè)計(jì)不合理；2.旋轉(zhuǎn)件動(dòng)平衡破壞引起的傳動(dòng)失穩(wěn)；3.傳動(dòng)系潤滑不良造成的傳動(dòng)系統(tǒng)異常抖動(dòng)；4.取力器傳動(dòng)軸夾角不合適造成傳動(dòng)軸異常抖動(dòng)；

基于以上分析結(jié)果，本文主要從懸置布置、剛度匹配等方面對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)合理論校核計(jì)算，CAE[2]分析手段，盡量真實(shí)的模擬出整車的工況，并結(jié)合相應(yīng)的驗(yàn)證手段對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、飛輪殼開裂分析

文章的研究對(duì)象是在江蘇等地區(qū)開裂的故障件，通過飛輪殼開裂的故障分析、懸置的布置分析、飛輪殼所受彎矩分析、飛輪殼CAE應(yīng)力分析，識(shí)別出飛輪殼開裂的主要因素，找出延長飛輪殼壽命的對(duì)策。

1.1 飛輪殼彎矩分析

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置示意圖

We為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置，W為變速箱質(zhì)心位置，R1為前懸置支撐位置，R2為后懸置支撐位置，R3為變速箱支撐，以發(fā)動(dòng)機(jī)前支承為旋轉(zhuǎn)中心列力矩平衡方程，有：

由發(fā)動(dòng)機(jī)懸置裝置受力平衡，有：

飛輪殼后端面的彎矩為：

原先狀態(tài)不用變速箱輔助支承，則取R3=0

代入上式得：

通過分析，飛輪殼后端面處彎矩約為1470N·m（飛輪殼彎矩限值1350N·m），飛輪殼所受彎矩已經(jīng)超過了其極限彎矩，故設(shè)計(jì)上需增加變速箱輔助支撐，前期市場(chǎng)上在處理飛輪殼開裂問題時(shí)，增加了變速箱輔助支撐。

1.2 飛輪殼應(yīng)力分析

給動(dòng)力總成的質(zhì)心點(diǎn)施加一定的加速度(根據(jù)F=ma，即施加一定的力）根據(jù)下圖模型，可以計(jì)算出在后懸置中心點(diǎn)的受力情況。

圖2 懸置系統(tǒng)受力示意圖

由理論可知：

由上述簡(jiǎn)單的模型可以推出，無論動(dòng)力總成質(zhì)心點(diǎn)所受力朝什么方向，都會(huì)轉(zhuǎn)化為懸置支撐點(diǎn)所有方向的力（即懸置膠墊本身受到來自三個(gè)方向的力）。

1.3 基于ADAMS環(huán)境下各懸置點(diǎn)的受力計(jì)算

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)位置圖，懸置支架圖以及前后懸置圖紙，確定前后懸置的相對(duì)坐標(biāo)；再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心測(cè)試報(bào)告中的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心位置以及變速箱的質(zhì)心位置，確定動(dòng)力總成質(zhì)心位置在整車坐標(biāo)系中的相對(duì)位置 ，各點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)在ADAMS[3]里建立位置模型：

在ADAMS 中建立起動(dòng)力總成仿真模型，前后懸置的剛度數(shù)值由懸置的實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定。懸置[4]各方向的剛度曲線如圖4 所示。

根據(jù)總質(zhì)心和前后懸置的位置以及動(dòng)力總成的重量，計(jì)算出分配在前后懸置上的預(yù)載力，各懸置點(diǎn)的預(yù)載力如表1所示：

表1 各懸置預(yù)載力

在ADAMS 中進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)各種不同的工況，對(duì)動(dòng)力總成質(zhì)心處加載不同的力和力矩得到 17 種不同工況下的后懸置點(diǎn)受力情況（ 靜平衡位置受力即為預(yù)載力 ）。 如表2所示：

表2 同工況下后懸置受力情況

在Hyper Mesh中對(duì)飛輪殼數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格處理，約束飛輪殼與發(fā)動(dòng)機(jī)連接處的所有螺栓孔。有限元分析模型如圖5所示：

圖4 飛輪殼有限元模型

飛輪殼[5]材料為灰鑄鐵HT250；彈性模量：1.05～1.3× 105MPa；泊松比：0.24 - 0.26；密度：7.35×10-9t/mm3；屈服極限：250MPa。

1.4 分析結(jié)果

根據(jù)以上建立的模型，得出圖7所示的飛輪殼應(yīng)力分布模型，從圖中可以看出，無論在什么工況下飛輪殼的應(yīng)力集中點(diǎn)都比較相同，位于起動(dòng)機(jī)穿孔位置，也是實(shí)際情況下飛輪殼的開裂位置，與實(shí)驗(yàn)情況相符。

圖5 飛輪殼各工況下的應(yīng)力分布

各工況下最大應(yīng)力值如表3所示，標(biāo)紅部分工況為最大應(yīng)力值超出屈服極限。

表3 不同工況下飛輪殼最大應(yīng)力值

由分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）所有工況的應(yīng)力分布情況基本一致，應(yīng)力較大部分均出現(xiàn)在后支架安裝孔附近，起動(dòng)機(jī)孔附近，后左支架安裝孔座下端以及少數(shù)飛輪殼加強(qiáng)筋處。分析結(jié)果中應(yīng)力較大部分與飛輪殼開裂處基本一致。

（2）動(dòng)力總成單純受垂直方向載荷時(shí)，飛輪殼最大應(yīng)力值均未超出材料的屈服極限。

（3）部分工況，并未對(duì)動(dòng)力總成施加 X 向的沖擊，但X 方向仍有很大的力，導(dǎo)致最大應(yīng)力值超出屈服極限，初步分析后得出：由于后懸置Y向剛度太小，僅為180N/mm，是 X 向剛度（1782.2N/mm）的 10% 左右，在動(dòng)力總成受到橫向沖擊時(shí)，載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，將力轉(zhuǎn)移到X方向。

若將后懸置Y向剛度增加10倍，使其與X向剛度相當(dāng)，以工況3為例，用ADAMS仿真后得受力情況，如表4所示。再將后懸置 X 向剛度減小10倍，以工況3為例，用 ADAMS仿真后得出受力情況：

表4 后懸置剛度變化后飛輪殼受力對(duì)比

由對(duì)比結(jié)果可以看出，增加Y向剛度后，飛輪殼X方向受力降低了將近2000N， 再減小X方向剛度后，飛輪殼X向受力又降低了將近3000N。

2、飛輪殼改進(jìn)措施

根據(jù)上述建議，制定了兩套方案，具體見表5：

方案一：在原始狀態(tài)的區(qū)別在于增加變速箱輔助支撐，后懸置的剛度提高，其安裝尺寸不變；

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，把前懸置改成傾斜布置，同時(shí)輔助支撐的位置進(jìn)行調(diào)整。

表5 整改方案與原始狀態(tài)區(qū)別

圖6 方案二，前懸置傾斜布置

圖7 方案一、方案二增加變速箱輔助支撐

按照上述的分析方法得出受力結(jié)果，并與最初狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如表6：

表6 不同方案各工況的最大應(yīng)力值對(duì)比

從上圖表格可以看出：

1）方案一較原始狀態(tài)有明顯改善，超過材料抗拉極限的工況都已經(jīng)不超，基本每個(gè)工況最大應(yīng)力值都有明顯的下降；

2）方案二相對(duì)方案一效果要差，但比原始狀態(tài)也有明顯的改善。

3、結(jié)論

通過以上的分析，得出以下的結(jié)論：

1）最終采用方案一，增加變速箱輔助支持，增加后懸置Y向剛度；

2）制定方案實(shí)施后要經(jīng)過充分的試驗(yàn)驗(yàn)證其效果是否與理論分析一致（至目前，反應(yīng)良好，未反饋再次開裂現(xiàn)象）；

3）發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)[6]對(duì)理論分析至關(guān)重要，一定要通過正確的試驗(yàn)測(cè)試才能夠拿來使用，否則理論分析的誤差會(huì)很大，造成數(shù)據(jù)不可信；

4）應(yīng)用CAD/CAE軟件等分析，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率，少走彎路，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期；

5）上述的分析方法僅僅是對(duì)懸置系統(tǒng)匹配的受力分析，但對(duì)懸置系統(tǒng)振動(dòng)未做分析，其隔振和傳遞效率也可能對(duì)飛輪殼造成疲勞損壞，這是我們下一步所要研究的方向。

[1]武田信之.（方永龍等譯）.載貨汽車設(shè)計(jì).人民交通出版社.1997.

[2]蔣孝煜.有限元基礎(chǔ)[M].北京.清華大學(xué)出版社.1992.

[3]李軍等.adams實(shí)例教程.北京理工大學(xué)出版社.2002.

圖6 CAE分析排氣背壓計(jì)算模型

圖7 排氣系統(tǒng)背壓分布圖

3.2 排氣消聲器優(yōu)化分析

圖8為整車排氣背壓的試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果，圖中顯示該車輛在裝配優(yōu)化后的消聲器后，排氣背壓與原方案相差不大，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)與模擬分析結(jié)果比較吻合，有力支持了CAE排氣背壓模擬分析的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

圖8 排氣系統(tǒng)背壓與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

4、結(jié)論

在進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮到成本、重量、振動(dòng)、安裝空間和制造安裝維修性的同時(shí)，更要優(yōu)先處理好排氣背壓和排氣噪聲之間的關(guān)系，保證在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)功率的同時(shí)妥善處理好排氣噪聲和整車車內(nèi)噪聲的匹配關(guān)系，找到適中的方案，達(dá)到既能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求，又能夠達(dá)到消聲降噪、改善乘坐舒適性的目的，從而進(jìn)一步改善整車的品質(zhì)。

本論文通過試驗(yàn)分析和模擬分析相結(jié)合的手段改進(jìn)消聲器的結(jié)構(gòu)，利用GT-Power分析軟件對(duì)排氣噪聲和排氣背壓進(jìn)行模擬分析，并對(duì)其建立優(yōu)化的計(jì)算模型，便于更加迅速的優(yōu)化消聲器的消聲結(jié)構(gòu)和計(jì)算排氣系統(tǒng)的背壓損失，使用模擬分析可以較為準(zhǔn)確而快速的確定平衡排氣噪聲和排氣背壓的方案，從而可以在設(shè)計(jì)階段就可以開展對(duì)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，進(jìn)一步縮短了研發(fā)周期和經(jīng)費(fèi)投入。后期采用模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的手段保證了整車NVH的舒適性，提高了整車的品質(zhì)和駕駛舒適性。

參考文獻(xiàn)

[1]馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]黎志勤等.汽車排氣系統(tǒng)噪聲與消聲器設(shè)計(jì).北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社.

[3]謝田峰,金國棟，鐘紹華.GT -Power 在內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.重慶內(nèi)燃機(jī)研究所.

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[5]顧柏良.BOSCH汽車工程手冊(cè).北京：北京理工大學(xué)出版社.

Cracking heavy flywheel shell in the research and analysis

Zhang Zhicai, Yu Shixia, Chen Kaichao, Dang Fei
( Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Auhui Hefei 230601 )

This paper take the crack of bell housing of mixer truck, which get mass feedback from market of Anhui, Jiangsu province, as objects of study to find causes from the following factors, including bending moment of the bell housing, the layout of suspension, the rigidity and the working condition of the vehicles. Based on the results of analysis, we provide corresponding solutions, which not only solve the faults, but also give a way of thinking in solve similar problems.

suspension; bell housing; crack

U463.34

A

1671-7988(2017)02-213-04

章志才，男，(1983-)，本科，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要從事工作：商用車總布置設(shè)計(jì)，從事整車的布置和性能匹配。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.073