淺談柴油機FEAD系統(tǒng)設(shè)計與分析方法

高原+陳正林+沈祖杰

【摘 要】柴油機FEAD系統(tǒng)即發(fā)動機前端輪系輔件驅(qū)動系統(tǒng)，主要用于發(fā)動機曲軸動力輸出驅(qū)動諸如發(fā)電機、空調(diào)壓縮機等發(fā)動機附屬設(shè)備，滿足車輛、船舶的電力供應(yīng)和制冷需求，F(xiàn)EAD系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣對整機電力、空調(diào)制冷產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響，因此對FEAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)計算、CAE分析很有必要。

【Abstract】The FEAD system of diesel engine is the front end accessory drive system of engine， mainly used for crankshaft power output of engine to drive such as generators， air conditioning compressor for engine accessory equipment，to meet the demand of power supply and refrigeration on vehicle and ship， The quality of the FEAD system design has a crucial impact on the whole electric power and air conditioning. So for the FEAD system， structure design， parameter calculation and CAE analysis are very necessary.

【關(guān)鍵詞】FEAD系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；CAE分析；靜動態(tài)計算

【Keywords】FEAD system； structural design； CAE analysis； static and dynamic calculation

【中圖分類號】TH12 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0131-02

1 概述

FEAD系統(tǒng)的目的就是利用曲軸前端動力驅(qū)動發(fā)動機的外圍輔件，如發(fā)電機、空調(diào)壓縮機等，以便于滿足車輛或者船舶的蓄電池電力和駕駛艙制冷需求，是發(fā)動機重要的應(yīng)用設(shè)計。

設(shè)計初期需要關(guān)注整體結(jié)構(gòu)邊界條件，考慮總體設(shè)計方案，選擇皮帶傳動同時需要考慮皮帶結(jié)構(gòu)的選型，前段輪系系統(tǒng)屬于高速運動系統(tǒng)，需要動態(tài)情況下考慮皮帶的張緊方式、滑移率、振幅、帶輪包角、張緊器擺幅等一系列影響因素。確保整個系統(tǒng)在理論設(shè)計初期和理論計算模擬時滿足既定要求。

當然如此復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，不僅需要考慮上述自身系統(tǒng)的合理性，而且還需考慮與此系統(tǒng)相關(guān)的各個輔件支架的強度和模態(tài)，可以采用有限元方法進行CAE分析。

2 設(shè)計輸入

論文選用一款直列六缸，排量7.2L，采用多楔帶驅(qū)動，自動張緊方式，并加裝空調(diào)壓縮機的重型卡車用柴油機FEAD系統(tǒng)。

3 FEAD系統(tǒng)邊界檢查和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對發(fā)動機整機前端和整車發(fā)動機艙等零件的三維模擬和邊界檢查，主要在UG三維軟件的幫助下通過對系統(tǒng)相關(guān)零件的三維模型建模得出初步的總體布置結(jié)構(gòu)，確保最基本的空間要求，總體布置原則即是避免干涉、結(jié)構(gòu)緊湊[1]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括曲軸皮帶輪、發(fā)電機、空調(diào)壓縮機、自動張緊器、惰輪。需要滿足預(yù)定設(shè)計目標，設(shè)計目標如下：

基于上述標準要求并結(jié)合初步經(jīng)驗分析設(shè)計出的輪系結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

曲軸皮帶輪是動力輸出來源，設(shè)計原則上皮帶包角必須大于180°，其余槽輪包角要求在120°以上，方可滿足功率傳輸要求，平輪包角不做過高要求。柴油機曲軸皮帶輪逆時針轉(zhuǎn)動，通過皮帶這個載體給各個輔件輸送功率，并通過軟件計靜態(tài)算出每個零件的受力方向和受力大小。通過經(jīng)驗分析，初步判定結(jié)構(gòu)滿足既定設(shè)計目標，但仍然需要通過模擬精確計算系統(tǒng)布置的合理性。

通過初步確定的坐標原點，初步定義各個帶輪的坐標位置，通常取曲軸皮帶輪為原點；確定各個帶輪的外徑、基準直徑、基準寬度、上下槽深、槽寬等數(shù)據(jù)，用以進行下步的靜態(tài)計算，通過三維建模計算得知此坐標數(shù)據(jù)選取、帶輪直徑選取、帶輪間跨度、多楔帶包角，傳動比均在設(shè)計要求范圍內(nèi)。計算同時給出了限制條件，即各帶輪之間的對楔度要求，設(shè)計者需要遵循這一要求開展下一步詳細設(shè)計工作。

4 FEAD系統(tǒng)動態(tài)仿真計算和詳細設(shè)計

確定了各項系統(tǒng)的主要參數(shù)，并為后續(xù)的動態(tài)模擬計算提供了數(shù)據(jù)輸入，在三維分析軟件SIM-Drive的幫助下建模，輸入預(yù)定數(shù)據(jù)得出動態(tài)分析結(jié)果，根據(jù)動態(tài)分析結(jié)論可知： 轉(zhuǎn)速850Rpm時，皮帶張力1040N；帶段抖動≤5%，無干涉情況；皮帶滑移率≤0.5%；使用壽命綜合估算在20萬km至30萬km，均滿足預(yù)定設(shè)計范圍和標準。[2]

確定了總體設(shè)計方案和理論計算數(shù)據(jù)之后，下一步進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計的零部件清單，此案例需要設(shè)計的主要為系統(tǒng)安裝支架，主要作用用來支撐系統(tǒng)各個部件。需要考慮以下問題和注意事項：

①安裝支架的安裝位置和方式；

②空調(diào)壓縮機的傾斜角度要求；

③自動張緊器的安裝定位；

④安裝支架需要合理布置和設(shè)計加強筋；

⑤安裝支架各帶輪安裝面的尺寸公差必須合理；

⑥各帶輪軸承的選型要合理。

基于以上的注意事項完成詳細三維設(shè)計工作，二維生產(chǎn)圖紙繪制之前，相關(guān)零件的還需經(jīng)過CAE軟件的分析進而得知零部件的強度和模態(tài)如何，如果理論分析計算未通過，則需要及時改進先前的設(shè)計，避免產(chǎn)品在實際運用中造成失效，數(shù)據(jù)與經(jīng)驗相結(jié)合是最好的工業(yè)實踐手段[3]。

5 支架CAE分析

基于有線元法，采用CAE分析軟件Hyperworks /Optistruct 13.0（預(yù)處理/解算器）的幫助下，對系統(tǒng)相關(guān)零部件進行強度和模態(tài)分析，論文主要介紹對安裝支架的分析過程。

分析目的：為了評價和改進安裝支架的強度和模態(tài)，需要進行應(yīng)力分析和模態(tài)分析；

設(shè)計標準： 模態(tài)分析最低頻率要求為143Hz，2200rpm，

通用標準： 模態(tài)分析最低頻率要求為180.3Hz，2550rpm。

分析目標：評估系統(tǒng)支架的應(yīng)力大小和支架模態(tài)是否達到最低頻率要求；

創(chuàng)建模型，包括安裝支架、缸體、壓縮機、發(fā)電機、張緊器、惰輪、皮帶、螺栓等所有相關(guān)零件，預(yù)設(shè)螺栓為實心截面梁單元，螺紋與其他構(gòu)件采用剛性（RBE2）連接。

通過分析結(jié)論得出以下結(jié)論：

①模態(tài)分析，安裝支架頻率（ 223.9Hz）高于最低可接受值（180.3Hz）。

②應(yīng)力分析：最大應(yīng)力區(qū)域為73.7MPa低于HT250材料要求的125MPa

綜上所述，該系統(tǒng)設(shè)計滿足既定要求，可以進行二維生產(chǎn)圖紙繪制。同時設(shè)計師需要考慮DVP驗證方案。關(guān)于DVP方案，主要考慮臺架試驗相關(guān)測點布置，空調(diào)壓縮機加載模擬工作，試驗時間確定等，具體論文不再累述。

6 結(jié)論

通過完成上述概念設(shè)計、詳細設(shè)計、軟件分析、工程圖以及DVP方案布置等開發(fā)流程之后，目前此系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)完成了多輪臺架和整車試驗，未發(fā)生支架斷裂、皮帶打滑、系統(tǒng)異響等嚴重質(zhì)量故障，當前已風(fēng)險投入市場，為公司及社會帶來一定的經(jīng)濟效益。

【參考文獻】

【1】劉鑫.柴油發(fā)動機運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

【2】黃強.國5排放重型節(jié)能柴油發(fā)動機設(shè)計與研發(fā)[D].長沙：湖南大學(xué)，2016.

【3】李軍.柴油發(fā)動機電子控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[D].長春：吉林大學(xué)，2006.