動(dòng)力總成軸系共振導(dǎo)致皮帶輪螺栓失效的分析

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。目前國(guó)內(nèi)主流乘用車動(dòng)力總成開發(fā)中，并未對(duì)軸系共振產(chǎn)生的危害做過深入探究。本文以某型乘用車動(dòng)力總成售后問題反饋入手，結(jié)合整個(gè)問題處理過程，從設(shè)計(jì)開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證以及車輛搭載匹配過程探究目前減振皮帶輪螺栓匹配設(shè)計(jì)方法的缺陷，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。

Abstract： Damping pulley bolts are one of the important fasteners for engines. At present， in the development of domestic mainstream passenger car powertrains， there has been no in-depth investigation into the harm caused by shaft resonance. This article starts with the feedback of the after-sales problem of a certain type of passenger car powertrain， and combines the entire problem-handling process to explore the shortcomings of the current vibration damping pulley bolt matching design method from design development， test verification and vehicle onboard matching process， and does some beneficial discussions for the vibration damping pulley bolt and even the crankshaft connection design method.

關(guān)鍵詞：皮帶輪螺栓;扭矩沖擊;設(shè)計(jì)方法

Key words： pulley bolts;torque shock;design method

0? 引言

某型量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，因減振皮帶輪螺栓松脫造成了非常重大的質(zhì)量損失。故障背景及解決過程如下：①故障全部發(fā)生在搭載雙質(zhì)量飛輪+手動(dòng)變速器車型;②同款發(fā)動(dòng)機(jī)，其他動(dòng)力總成沒有問題反饋;③所有故障現(xiàn)象的起因均為皮帶輪螺栓松動(dòng)，設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.32，故障率約400PPM;④增大螺栓直徑以增大許用軸力，安全系數(shù)提升至1.99;故障率降低至379PPM，無法完全解決;⑤增大螺栓軸力同時(shí)增加金剛石墊片以增大接觸面摩擦，進(jìn)一步增加螺栓傳遞扭矩?cái)?shù)值，安全系數(shù)4.49，最終解決該問題。

綜上，提升螺栓連接設(shè)計(jì)安全系數(shù)是最終解決該問題的實(shí)際有效措施，但遠(yuǎn)大于常規(guī)皮帶輪螺栓連接設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（柴油機(jī)≥1.1，汽油機(jī)≥1.2）。故深入研究分析問題產(chǎn)生的機(jī)理，找到問題真因，有助于未來發(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)開發(fā)，帶來較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)價(jià)值。

以下，結(jié)合該問題解決過程，從設(shè)計(jì)開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證以及搭載匹配過程深入探討目前皮帶輪螺栓設(shè)計(jì)的不足之處，提出一些實(shí)質(zhì)性對(duì)策及解決方法。

1? 皮帶輪螺栓功能

皮帶輪螺栓通常用于連接正時(shí)系統(tǒng)和前端附件輪系以及其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖1）。

如圖1，常見結(jié)構(gòu)由曲軸、正時(shí)鏈輪、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? 皮帶輪螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算方法

2.1 原理

曲軸系前端系統(tǒng)各零部件由皮帶輪螺栓擰緊產(chǎn)生的壓緊力通過摩擦傳遞扭矩，需要逐個(gè)校核計(jì)算各摩擦面設(shè)計(jì)。曲軸扭振對(duì)連接件產(chǎn)生沖擊，其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。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。除上述之外，應(yīng)考慮搭載整車使用工況以及動(dòng)力總成的附加影響等。

2.2 計(jì)算步驟

以上述發(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：由CAE分析得出。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。

⑤壓緊摩擦面的平均作用半徑：

其中：Tf——螺栓緊固力矩;μ——各接觸面間的摩擦系數(shù);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? 動(dòng)力總成驗(yàn)證過程及實(shí)際使用工況

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)：目前國(guó)標(biāo)GB/T18297、GB/T19055，中試驗(yàn)項(xiàng)目無法體現(xiàn)動(dòng)力總成的相關(guān)影響;

整車/動(dòng)力總成測(cè)試。

雙質(zhì)量飛輪驗(yàn)證試驗(yàn)：測(cè)試動(dòng)力總成軸系共振產(chǎn)生的沖擊扭矩，小于等于3000Nm。

以上過程中，考慮動(dòng)力總成軸系共振扭矩沖擊限于確認(rèn)雙質(zhì)量飛輪子零件可靠性，未涉及實(shí)際使用過程是否對(duì)其他零部件造成影響。

3.2 實(shí)際使用工況

搭載雙質(zhì)量飛輪的整車如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于一定數(shù)值，必然發(fā)生動(dòng)力總成軸系共振。例如：搭載雙質(zhì)量飛輪、手動(dòng)變速器的整車，動(dòng)力總成軸系共振轉(zhuǎn)速約為300-500rpm，故在啟動(dòng)，停機(jī)以及檔位選擇錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)均有可能進(jìn)入共振轉(zhuǎn)速區(qū)間。

4? 沖擊扭矩與皮帶輪螺栓匹配

4.1 軸系共振產(chǎn)生的沖擊扭矩的影響分析

①軸系共振的沖擊扭矩在雙質(zhì)量飛輪試驗(yàn)中可以測(cè)出，故發(fā)動(dòng)機(jī)軸系零部件均會(huì)有扭矩沖擊。②發(fā)動(dòng)機(jī)為皮帶輪螺栓設(shè)計(jì)中，動(dòng)力總成沖擊扭矩也應(yīng)合并入扭振扭矩中進(jìn)行計(jì)算分析。③常規(guī)計(jì)算方法中，因未將沖擊扭矩列入考慮對(duì)象，故其結(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)。2）正時(shí)系統(tǒng)最大受力可以通過測(cè)試得出，可依據(jù)其測(cè)試結(jié)果修正計(jì)算。

4.2 結(jié)論及皮帶輪螺栓匹配計(jì)算方法

考慮扭振扭矩后，發(fā)現(xiàn)存在不滿足安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。

綜上，某些特定工況下產(chǎn)生的動(dòng)力總成軸系共振的沖擊扭矩是皮帶輪螺栓松脫的根本原因。故，應(yīng)將沖擊扭矩的影響作為在皮帶輪螺栓設(shè)計(jì)中列入?？稍谕扑]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)。推薦以下方法具體實(shí)施：

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。

參考文獻(xiàn)：

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