大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)研究

楊獻(xiàn)學(xué)　郭文天　曹寓

摘 要：針對(duì)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)，分析了其在系統(tǒng)中的功能、設(shè)計(jì)指標(biāo)、試驗(yàn)要求等，并以此開(kāi)展了自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)渦簧關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析計(jì)算、臺(tái)架可靠性摸底試驗(yàn)和實(shí)際裝機(jī)可靠性試驗(yàn)測(cè)試，自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)本次研究，形成的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法為后期類似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī);自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu);有限元法;可靠性試驗(yàn)中圖分類號(hào)：U461.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-90-04

Abstract：?As to the automatic tightening mechanism of front end wheel for high power diesel engine， the function in the system， the design indicators and the test requirements is analyzed， and in this way the design of the key component of the vortex spring of automatic tensioning mechanism is carried out. Through the finite element analysis calculation， the reliabi?-lity test of the platform and the actual installation reliability test， the various indices of the automatic tensioning mechanism are met and the design goals are achieved. By the time of this study， the design and experimental method used in this paper provide the basis for similar product development in the later stage.Keywords： High power diesel engine; Automatic tightening mechanism; The finite element analysis; The reliability testCLC NO.：?U461.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-90-04

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)多個(gè)廠家已研制成功并批量投放市場(chǎng)應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)水平的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性得到了大幅的提升，在追求本體可靠的同時(shí)，其附件的可靠性也嚴(yán)重影響著整機(jī)的可靠性，影響著用戶的使用。

本文以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系為對(duì)象，通過(guò)梳理自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)的功能、設(shè)計(jì)指標(biāo)、試驗(yàn)要求等，設(shè)計(jì)出自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)中渦簧關(guān)鍵零件，并經(jīng)仿真分析、可靠性試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系系統(tǒng)匹配要求，并具備較高的可靠性，能很好的適用于大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 前端輪系組成及功能

發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，通常由皮帶、張緊輪、導(dǎo)輪及帶輪組成，其作用是將曲軸的動(dòng)力通過(guò)皮帶分別傳遞給水泵帶輪，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇輪帶輪、發(fā)電機(jī)帶輪和空調(diào)壓縮機(jī)帶輪，驅(qū)動(dòng)這些系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)中通過(guò)固定的導(dǎo)輪和張緊輪對(duì)皮帶進(jìn)行導(dǎo)向和壓緊，利用皮帶的摩擦力傳遞曲軸的轉(zhuǎn)矩，皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

張緊輪的作用是壓緊皮帶，使其在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能保持良好的張緊力和平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由基座、回位彈簧、搖臂、減振組件、皮帶輪組件等組成，張緊機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)內(nèi)部的回位彈簧力實(shí)時(shí)對(duì)皮帶進(jìn)行壓緊，所以前端輪系皮帶能否很好的傳遞動(dòng)力，關(guān)鍵就取決于回位彈簧的能力。

3 張緊機(jī)構(gòu)張緊彈簧設(shè)計(jì)

3.1 彈簧載荷

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)要求，張緊機(jī)構(gòu)張緊彈簧的參數(shù)要求如表1所示：

3.2 張緊彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

張緊機(jī)構(gòu)張緊彈簧為渦卷型式，由于非接觸型渦卷彈簧剛度較為穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，所以此類彈簧通常采用非接觸型渦卷彈簧，渦卷彈簧按以下公式進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

4 渦卷彈簧計(jì)算驗(yàn)證

4.1?有限元計(jì)算

張緊機(jī)構(gòu)在前端輪系中是一個(gè)多角度多工況工作模式，其工作時(shí)受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、皮帶的松緊等因素影響，張緊機(jī)構(gòu)渦簧受力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，其轉(zhuǎn)角也不斷增大，動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果見(jiàn)圖3所示，本次計(jì)算選取發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下、張緊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到最大角度工況進(jìn)行渦簧計(jì)算，計(jì)算實(shí)體模型如圖4所示。

采用有限元法對(duì)渦簧進(jìn)行計(jì)算分析，有限元計(jì)算模型如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，渦簧在極限工況下應(yīng)力過(guò)度相對(duì)平緩，在靠近內(nèi)圈固定端約1/3圓周上應(yīng)力相對(duì)較大，分布于渦簧簧片兩側(cè)，經(jīng)過(guò)應(yīng)力拾取應(yīng)力最大約為932MPa，小于材料的屈服極限1180MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1?可靠性摸底試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的渦簧張緊機(jī)構(gòu)依據(jù)中值載荷對(duì)其進(jìn)行了臺(tái)架可靠性摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷為工作位擺動(dòng)到最大限位，試驗(yàn)頻率為35Hz，如圖7所示將4套張緊機(jī)構(gòu)安裝在扭轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行到478h時(shí)，3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)件出現(xiàn)繩索松弛，試驗(yàn)到552h時(shí)，1號(hào)和2號(hào)試驗(yàn)件出現(xiàn)繩索松弛，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行拆解檢查發(fā)現(xiàn)均為渦簧斷裂，斷裂位置為計(jì)算的高應(yīng)力區(qū)。

4.2.2?裝機(jī)可靠性試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的渦簧張緊機(jī)構(gòu)依據(jù)《發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械開(kāi)發(fā)規(guī)范中柴油機(jī)前端輪系可靠性試驗(yàn)》要求，隨發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系進(jìn)行了200h瞬態(tài)耐久循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試，如圖8所示，試驗(yàn)中測(cè)試張緊輪臂振動(dòng)，皮帶對(duì)齊度、抖動(dòng)、張緊力和磨損均滿足要求，表3給出了可靠性試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

對(duì)試驗(yàn)后的渦簧張緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解檢查，狀態(tài)如圖9所示，張緊機(jī)構(gòu)零部件無(wú)裂紋，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活無(wú)明顯磨損痕跡，帶輪無(wú)偏磨現(xiàn)象，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)分析柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系工作原理及載荷，梳理出渦簧張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，并以此確定渦簧結(jié)構(gòu)各參數(shù)，后經(jīng)有限元分析、臺(tái)架摸底試驗(yàn)和實(shí)物裝機(jī)測(cè)試試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的渦簧自動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)滿足大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系可靠性要求，同時(shí)以此形成的渦簧張緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)方法，可以指導(dǎo)后續(xù)同類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

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