動(dòng)力總成軸系共振對(duì)帶輪螺栓的影響分析

劉俊杰 渠娜

摘要：減振皮帶輪螺栓是發(fā)動(dòng)機(jī)重要緊固件之一。 本文結(jié)合其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證以及車(chē)輛搭載匹配過(guò)程以及售后市場(chǎng)的問(wèn)題反饋，探究減振皮帶輪螺栓匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中容易被忽視的方面，為減振皮帶輪螺栓乃至曲軸系連接件設(shè)計(jì)方法做一些有益的探討。

關(guān)鍵詞：減振皮帶輪螺栓;扭矩沖擊;計(jì)算方法

1 ?減振皮帶輪螺栓功能

在過(guò)去，已量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中，因減振皮帶輪螺栓故障造成的損失較為重大。深入研究分析問(wèn)題產(chǎn)生的原理，尋找其根源，有助于未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品發(fā)展，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)價(jià)值。

減振皮帶輪螺栓通常連接正時(shí)系統(tǒng)和前端附件驅(qū)動(dòng)輪系以及其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（例如平衡軸系統(tǒng)）提供驅(qū)動(dòng)，與油封配合密封（見(jiàn)圖1）。

如圖1所示，常見(jiàn)結(jié)構(gòu)由曲軸小頭端、正時(shí)鏈輪（正時(shí)系統(tǒng)）、連接套（提供油封安裝面）、皮帶輪（前端附件驅(qū)動(dòng)輪系）、連接螺栓等組成。

2 ?減振皮帶輪螺栓要求

如圖2所示，借助“結(jié)構(gòu)框圖”對(duì)曲軸系前端系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，連接件設(shè)計(jì)為曲軸系前端設(shè)計(jì)重點(diǎn)，正時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、前端附件驅(qū)動(dòng)輪系、密封系統(tǒng)要求不做深入討論。

與發(fā)動(dòng)機(jī)總成同壽命：無(wú)故障通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架可靠性試驗(yàn);

整車(chē)搭載可靠性要求：通過(guò)整車(chē)400循環(huán)動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)。

3 ?設(shè)計(jì)計(jì)算方法

減振皮帶輪螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算及分析評(píng)價(jià)方法：

3.1 原理

①曲軸系前端系統(tǒng)各零部件由皮帶輪螺栓擰緊產(chǎn)生的壓緊力通過(guò)摩擦傳遞扭矩，由于曲軸系扭振以及其驅(qū)動(dòng)部件的作用，需要逐個(gè)校核計(jì)算各摩擦面設(shè)計(jì);

②曲軸扭振對(duì)連接件產(chǎn)生沖擊，沖擊力矩的大小與連接件處的扭振振幅和慣量相關(guān)。扭振扭矩計(jì)算可輸入零部件數(shù)模、相關(guān)參數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)爆壓曲線，借助CAE分析計(jì)算輸出;

③識(shí)別分析連接部件需求，計(jì)算摩擦面積以及力矩需求;

④正時(shí)鏈輪等連接部件的傳遞力矩與傳動(dòng)的零部件數(shù)量有關(guān)，可以通過(guò)齒輪傳動(dòng)原理計(jì)算得到，也可以由試驗(yàn)測(cè)試得出。皮帶輪的傳遞力矩通常按消耗功率計(jì)算;

⑤除上述之外，考慮搭載整車(chē)使用工況以及動(dòng)力總成的附加影響等。

3.2 計(jì)算步驟

以某型發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)為例：

①計(jì)算各輪摩擦傳遞的最大力矩：即各齒輪附件載荷最大值;如表1中第4項(xiàng)（正時(shí)系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)力矩）。

②計(jì)算曲軸皮帶輪傳遞的最大力矩：即曲軸皮帶輪附件載荷最大值;如表1中第1-3項(xiàng)。

③扭振力矩。根據(jù)CAE分析結(jié)果得出。如表1中第5項(xiàng)。

④摩擦面的需求總力矩。即以上三項(xiàng)之和，用Tmax表示。

⑤壓緊摩擦面的平均作用半徑：

⑥傳遞力矩：

⑦皮帶輪螺栓擰緊安全系數(shù)：

其中：Tf——螺栓緊固力矩;

μ——各接觸面間的摩擦系數(shù)，一般鋼-鋼取0.15，鋼-鐵取0.2;

Fb——螺栓的軸力;

R和r——接觸面的最大和最小半徑;

S——螺栓安全系數(shù);

3.3 皮帶輪螺栓連接安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

柴油機(jī)≥1.1，汽油機(jī)≥1.2。

3.4 實(shí)際工況

上述常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法僅考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況，整車(chē)實(shí)際使用過(guò)程中，仍有一些情況需要補(bǔ)充。例如：搭載雙質(zhì)量飛輪系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力總成軸系共振（一般發(fā)生在駕駛過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)低于許可轉(zhuǎn)速時(shí)）。以下針對(duì)該工況進(jìn)行分析。

①搭載雙質(zhì)量飛輪、手動(dòng)變速器的整車(chē)，動(dòng)力總成軸系共振轉(zhuǎn)速為300-500，發(fā)生工況：?jiǎn)?dòng)，停機(jī)以及檔位選擇錯(cuò)誤。計(jì)算方法：

1）測(cè)試動(dòng)力總成軸系共振時(shí)的最大角加速度;

2）計(jì)算曲軸系前端輪系慣量;

3）計(jì)算曲軸系前端沖擊扭矩;

4）附件驅(qū)動(dòng)輪系沖擊扭矩：軸系共振情況下，附件驅(qū)動(dòng)皮帶打滑，沖擊力矩為附件皮帶張緊力與作用半徑的乘積;

5）計(jì)算安全系數(shù)，要求該工況安全系數(shù)≥1.2。

例：通過(guò)雙質(zhì)量飛輪沖擊扭矩試驗(yàn)測(cè)得某發(fā)動(dòng)機(jī)軸系共振最大角加速度為14688;

減震皮帶輪慣量0.0099;

摩擦面沖擊扭矩為145.4NM;

附件驅(qū)動(dòng)輪系的力矩800×0.079（發(fā)電機(jī)皮帶）+400×0.0735（空調(diào)壓縮機(jī)皮帶）=92.6NM;

該工況下螺栓擰緊安全系數(shù)：總力矩238NM。

②發(fā)動(dòng)機(jī)前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，扭振扭矩造成的影響不同，常規(guī)計(jì)算方法中，扭振扭矩作為固定值計(jì)算，其結(jié)果偏差較大。

1）扭振扭矩產(chǎn)生的影響為兩方面：一為零部件自身慣量與扭轉(zhuǎn)振幅產(chǎn)生慣性扭矩;二為扭轉(zhuǎn)振幅在齒輪上形成的扭矩沖擊，該部分與扭振振幅和輪系慣量相關(guān)。采用皮帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，其扭轉(zhuǎn)振幅形成的扭矩沖擊區(qū)別較大，皮帶系統(tǒng)彈性大，能夠減緩甚至消除沖擊。

2）借助正時(shí)系統(tǒng)功能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正計(jì)算結(jié)果：正時(shí)系統(tǒng)最大受力可以通過(guò)測(cè)試得出，依據(jù)其測(cè)試結(jié)果修正計(jì)算。

綜上，在詳細(xì)分析計(jì)算時(shí)，可以在推薦的安全系數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)曲軸前端實(shí)際結(jié)構(gòu)，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估螺栓擰緊安全系數(shù)。

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