某型特種汽車風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)失效分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

莫飛，葉智博，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某型特種汽車風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)失效分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

莫飛，葉智博，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章針對某型特種汽車的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇傳動皮帶頻繁出現(xiàn)早期磨損的現(xiàn)象，分析風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)的失效模式，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并運(yùn)用軟件建模及有限元模擬分析的方法對改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)合用戶后續(xù)的使用情況表明，該問題已得到解決，提高了系統(tǒng)的可靠度。

早期磨損；尺寸分析；有限元

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-145-03

引言

某型特種汽車底盤搭載的可快速架設(shè)大跨度機(jī)械化橋梁作業(yè)系統(tǒng)，主要用于克服江河、峽谷、溝渠等障礙，提高應(yīng)對突發(fā)事件及抗洪救災(zāi)時的緊急處置能力，爭取救援時間，能夠起到良好的軍事、社會效益。

該車型投入市場后不久，發(fā)現(xiàn)車輛在行駛1000至3000公里左右時，發(fā)動機(jī)冷卻系風(fēng)扇傳動皮帶頻繁出現(xiàn)早期磨損甚至皮帶斷裂現(xiàn)象，見圖1。此故障嚴(yán)重影響車輛冷卻系統(tǒng)的正常工作，存在發(fā)動機(jī)過熱的安全隱患。作為重型架橋作業(yè)系統(tǒng)的承載、運(yùn)輸平臺，出現(xiàn)此種故障失效，不僅影響重型架橋系統(tǒng)的運(yùn)輸機(jī)動能力，也導(dǎo)致架橋作業(yè)系統(tǒng)無法從發(fā)動機(jī)取力，影響正常使用。因此，需要盡快排查此故障產(chǎn)生的原因和機(jī)理，徹底解決此問題。

1 組成及工況簡介

該車型底盤的冷卻系統(tǒng)由于受到低位駕駛室空間布置的影響，采用低于發(fā)動機(jī)曲軸中心線的下沉式驅(qū)動風(fēng)扇結(jié)構(gòu)型式，但該結(jié)構(gòu)型式很少用于重型車輛，在該產(chǎn)品開發(fā)時發(fā)動機(jī)廠家沒有相應(yīng)成熟的風(fēng)扇驅(qū)動結(jié)構(gòu)可供選用，因此冷卻風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)僅能根據(jù)總布置設(shè)計師預(yù)留的空間進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。

改進(jìn)前的下沉式驅(qū)動風(fēng)扇系統(tǒng)主要由左右支架、固定板、風(fēng)扇軸承座、皮帶、壓緊輪機(jī)構(gòu)及風(fēng)扇葉片等組成。整個風(fēng)扇皮帶驅(qū)動系統(tǒng)采用由螺栓連接的分體式結(jié)構(gòu)安裝在發(fā)動機(jī)前部左右支架連接的固定板之上。同時為保證曲軸皮帶輪和風(fēng)扇驅(qū)動皮帶輪之間的共面和平行，在左右支架和支撐板上設(shè)計出長圓孔供裝配調(diào)整使用，皮帶壓緊力通過皮帶壓緊輪的螺桿進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前的下沉式驅(qū)動風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后曲軸皮帶輪通過皮帶將動力傳遞至風(fēng)扇皮帶輪，冷卻風(fēng)扇隨發(fā)動機(jī)的工作而同步轉(zhuǎn)動，風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)前部懸置固定在發(fā)動機(jī)前端，與發(fā)動機(jī)形成一體結(jié)構(gòu)，無其他外力影響；與常規(guī)發(fā)動機(jī)高位風(fēng)扇的驅(qū)動原理相同，皮帶的理論設(shè)計壽命應(yīng)不小于10萬公里。

2 故障原因分析

據(jù)現(xiàn)場查看風(fēng)扇皮帶損壞的情況，發(fā)現(xiàn)其均呈現(xiàn)出偏磨、高溫?zé)购蛿帻X等特點(diǎn)，在排除了零部件質(zhì)量和發(fā)動機(jī)過熱問題后，重點(diǎn)考慮是曲軸驅(qū)動皮帶輪和風(fēng)扇驅(qū)動皮帶輪之間的共面出現(xiàn)了問題。

經(jīng)分析，改進(jìn)前的左右支架為鑄件毛坯，安裝面均為機(jī)加工，精度可以控制。但支撐板為保證強(qiáng)度要求設(shè)計為平板焊接結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生焊接變形，而圖紙的設(shè)計要求中并未對支撐板的平面度進(jìn)行明確要求，因此在實(shí)際裝配過程中由于該零件的平面度誤差較大，加之無專用的工裝夾具對其進(jìn)行定位，共面情況無法得到保證，兩皮帶輪產(chǎn)生夾角后使皮帶容易出現(xiàn)偏磨、斷裂等故障，故障模型分析如圖3所示。

圖3 故障模型分析簡圖

同時由于改進(jìn)前的風(fēng)扇安裝結(jié)構(gòu)是由多個零部件采用螺栓緊固的方式進(jìn)行連接，尺寸鏈過多，螺栓和安裝孔位的間隙導(dǎo)致累積誤差過大，也使皮帶輪之間的共面情況無法保證；并且在裝調(diào)和拆裝過程中螺栓反復(fù)打緊，導(dǎo)致壓緊力無法達(dá)到要求，行駛過程中隨著發(fā)動機(jī)的振動，固定螺栓逐漸松動使零件之間產(chǎn)生位移，也會引起皮帶輪前后不共面造成皮帶斷裂。

即使保證支撐板的安裝精度和螺栓的緊固力矩，也會因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的尺寸鏈過多使得裝調(diào)和維修過于繁瑣，可靠性不高。因此，需要設(shè)計一種可靠性高的新結(jié)構(gòu)徹底解決該車型風(fēng)扇皮帶早期磨損的問題。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

在新結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，考慮通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式克服原有分體式結(jié)構(gòu)尺寸鏈過多，裝配精度難保證的問題。具體思路是：將分體式螺栓連接結(jié)構(gòu)改為整體式結(jié)構(gòu)，減少多余的尺寸鏈，通過提高新結(jié)構(gòu)整體式支架安裝部位的加工精度，使零部件連接過程中存在的累積誤差控制在要求范圍之內(nèi)，以保證兩皮帶輪共面且無夾角，并在有限的空間內(nèi)合理布置，確保整套風(fēng)扇傳動系統(tǒng)安裝和維修的方便性。

根據(jù)這一設(shè)計思路，如果整體支架仍采用原有的“L”型布置方式，必定造成加工難度的增大，精度也會受到角度的影響。因此需要將支架設(shè)計為整體平面型式，即風(fēng)扇軸承座和皮帶壓緊輪的連接方式需由豎直固定改為前后軸向安裝，這樣不僅降低了零件設(shè)計和加工的難度，還提高了裝配、調(diào)整的工藝性。依靠整體式支架的自身加工精度保證軸向風(fēng)扇軸承座安裝后不需調(diào)整即可滿足風(fēng)扇皮帶輪與發(fā)動機(jī)驅(qū)動皮帶輪的前后和角度共面的要求，減少中間環(huán)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。改進(jìn)前后固定支架結(jié)構(gòu)對比見圖4。

圖4 改進(jìn)前后固定支架結(jié)構(gòu)對比

在發(fā)動機(jī)懸置固定尺寸、結(jié)構(gòu)不變的前提下設(shè)計出平面結(jié)構(gòu)的整體式支架后，將原有豎直安裝的手動皮帶壓緊裝置根據(jù)改進(jìn)提升的需要更換為前后連接結(jié)構(gòu)的自動壓緊輪機(jī)構(gòu)，合理的利用發(fā)動機(jī)前部有限的安裝空間，結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 改進(jìn)后的下沉式驅(qū)動風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

4 強(qiáng)度分析和疲勞校核

改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案中新設(shè)計的整體式支架總成，主要負(fù)責(zé)對下沉式風(fēng)扇驅(qū)動結(jié)構(gòu)的安裝和發(fā)動機(jī)前部的支撐，其余部件采用成熟零部件，強(qiáng)度已經(jīng)過驗(yàn)證。因此在設(shè)計過程中，主要校核新設(shè)計的整體式支架總成在強(qiáng)度和疲勞壽命方面能否滿足使用要求。

基于整體式支架總成的ProE三維實(shí)體模型，在adams/view軟件中建立多體模型，提取各工況下支架連接點(diǎn)的受力；將幾何模型簡化、清理后導(dǎo)入HyperMesh軟件中。導(dǎo)入后需要對幾何模型存在的縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷進(jìn)行處理，消除對單元質(zhì)量的影響。運(yùn)用HyperMesh的前處理工具，對其模型進(jìn)行網(wǎng)格單元劃分。

整體式支架總成的材料為QT450-10，彈性模量169GPa，泊松比0.257，密度7.06×103kg/m3，屈服強(qiáng)度310MPa，抗拉強(qiáng)度450MPa。為簡化模型將發(fā)動機(jī)懸置靜置剛度設(shè)定為140N/mm，并擬定了六種加速度極限受力工況導(dǎo)入Hyper Mesh中進(jìn)行強(qiáng)度分析，設(shè)定的工況見表1。

表1 設(shè)定工況加載表

圖6是對整體式支架總成結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。

圖6 整體式固定支架有限元分析應(yīng)力云圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，靜態(tài)安全因子大于1.5即為合格。分析結(jié)果顯示整體支架最小靜態(tài)安全因子主要處于加強(qiáng)筋和安裝孔處，且靜態(tài)安全因子均大于2.9，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，說明支架強(qiáng)度合格。

將強(qiáng)度分析結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT中進(jìn)行疲勞分析。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)大于1E6次時，結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生疲勞破壞。分析結(jié)果顯示各工況下最小疲勞循環(huán)次數(shù)為3.95E11次，表明該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命完全能夠滿足使用要求。

因此，經(jīng)過CAE分析理論校核表明新結(jié)構(gòu)的整體式風(fēng)扇支架完全能夠滿足使用強(qiáng)度和疲勞要求，甚至還有結(jié)構(gòu)輕量化的余地。

5 結(jié)論

本文針對某型特種汽車底盤風(fēng)扇皮帶早期失效的故障現(xiàn)象，采用科學(xué)的方法分析了導(dǎo)致皮帶失效的主要因素，依據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化了下沉式驅(qū)動風(fēng)扇系統(tǒng)，運(yùn)用有限元方法輔助校核全新設(shè)計出整體式風(fēng)扇支架，并對該支架的強(qiáng)度和壽命進(jìn)行了有限元分析，確保新結(jié)構(gòu)的整體式支架能夠滿足強(qiáng)度和使用要求。有效解決了某型特種汽車底盤風(fēng)扇皮帶早期失效的問題，經(jīng)過用戶后續(xù)使用再未發(fā)生此類問題，通過了可靠性驗(yàn)證。

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Failure Mode Effects Analysis and Structural Improvements for a Fan Drive System on a Special Vehicle

Mo Fei, Ye Zhibo, Nie Wenfu
（Shaanxi Heavy Duty Automotive Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

This paper deals with the early wear of an engine fan belt drive system on a special vehicle. Failure Mode Effects Analysis (FMEA) is performed on the fan drive system. A structural improvement is proposed, and then validated through software modeling and Finite Element Analysis (FEA). Customer feedback later shows that the problem is solved, and therefore improves the reliability of the system.

craze; analysis; finite element

U467

A

1671-7988 (2017)15-145-03

莫飛，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.053