具有BSG系統的發動機曲軸軸頸強度分析及優化

陳尚尚，章家續，李歡，胡昌良（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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具有BSG系統的發動機曲軸軸頸強度分析及優化

陳尚尚，章家續，李歡，胡昌良
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章根據某發動機曲軸優化方案建立其FEA仿真模型，將BSG扭矩補償極端情況下的最大載荷、前端輪系載荷、曲軸皮帶輪螺栓等載荷加載，計算得出曲軸軸頸圓角處張力和安全系數，從而達到優化曲軸軸頸處高周疲勞強度的目的。

曲軸；BSG；高周疲勞；安全系數

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.012

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-35-03

引言

隨著國家對汽車油耗和排放要求越來越高，48V BSG系統在乘用車發動機上得到越來越多的應用。BSG系統具有實現發動機起停、低速扭矩補償、減速能量回收等功能，可以有效降低整車油耗和排放。BSG系統可以直接增加在常規發動機前端輪系處，對發動機整體結構影響較小。但是，由于BSG在低速扭矩補償工況下加載在曲軸前端軸頸處的載荷較大，一般發動機曲軸前端軸頸圓角處都會有高周疲勞斷軸風險，嚴重影響整車安全性。本文提供了一種提高曲軸前端軸頸圓角處高周疲勞的方法和具有 BSG系統曲軸軸頸安全系數 FEA計算方法，以確認高周疲勞安全系數高于設計標準，從而避免后期生產過程中質量問題的發生。

1、背景介紹

國內某發動機基本型產品無BSG（Belt Starter Generator）系統，為了降低發動機平均油耗，現需要在前端輪系處并排安裝一套BSG系統。增加BSG系統后，經過FEA計算，在900轉BSG系統對發動機進行扭矩補償的工況下，曲軸前端軸頸圓角處存在高周疲勞斷軸風險，需要采取措施提高軸頸圓角處高周疲勞安全系數至≥1.5。

前端輪系和BSG布置情況如圖一，綠色皮帶為BSG皮帶；棕色皮帶為前端輪系皮帶（FEAD），前端輪系中包括水泵、空調壓縮機、墮輪等零部件。BSG電機通過曲軸皮帶輪向發動機曲軸加載扭矩，與前端輪系共用一個曲軸皮帶輪。

將曲軸皮帶輪螺栓螺紋嚙合深度由57mm加深到67mm，螺栓長度同時加長 10mm，目的是為了將螺紋嚙合處深度盡量超過曲軸前端軸頸過渡圓角位置，以期減小曲軸軸頸過渡圓角處的張力，從而提高此處高周疲勞安全系數。

3、FEA分析模型建立

3.1材料屬性輸入

將分析過程中需要使用到的各零部件材料屬性進行調查并輸入系統，其主要內容如表1：

表1　材料屬性

3.2FEA模型約束條件

約束條件如圖3所示，曲軸皮帶輪輪轂、橡膠、外圈間為綁定約束；對曲軸皮帶輪螺栓安裝面、曲軸皮帶輪螺栓平墊安裝面、曲軸皮帶輪安裝面、曲軸正時鏈輪側面、曲軸軸頸側面間施加所有方向全綁定約束，曲軸正時鏈輪內孔與曲軸軸頸外徑間施加正常工況下類似的滑移方向綁定約束；對曲軸皮帶輪螺栓上的螺紋施加正常力矩打緊后的螺紋徑向力；同時，最主軸瓦正常施加朝向曲軸中心方向的力，使得主軸瓦固定在軸頸徑向方向。

3.3高周疲勞工況輸入

本文分析了兩種極端情況下曲軸軸頸圓角處的安全系數。

3.3.1低速工況

BSG布置情況如圖1中綠色皮帶所示，前端輪系供應商提供了 BSG在低速扭矩補償工況下施加在曲軸上的拉力曲線如圖四中紅色曲線所示，同一工況下BSG輸出力矩曲線如圖五所示。從圖中可以看出低速900轉時BSG補償在曲軸上的力為4200N、力矩為110N·m，該工況為最惡劣工況之一，也是最易發生高周疲勞的工況之一。此時，曲軸前端還同時受到來自前端輪系的拉力800N、曲軸皮帶輪螺栓軸向預緊力135.7kN。

3.3.2高速工況

高速工況下（4750rpm/min）曲軸前端軸頸處彎曲振動幅度最大，彎曲振動曲線如圖六所示。

此時 BSG作用在曲軸上的力和前端輪系作用在曲軸上的力均為1000N，方向相反，因此兩個力基本相互抵消。

所以，在4750rpm最大彎曲振動工況下，僅有曲軸皮帶輪螺栓預緊力135.7kN這一個載荷輸入，此工況比基本型未安裝BSG系統彎曲振動更小，因此不會存在高周疲勞風險，無需做進一步分析。

3.4靜態載荷及加載

（1）曲軸皮帶輪螺栓預緊力135.7kN，在螺栓裝配打緊時已經施加。

（2）在900轉BSG進行力矩補償工況下BSG最大拉力4200N和110N·m的力矩同時施加在曲軸皮帶輪上，同時前端輪系800N的力同時作用在曲軸皮帶輪上，其方向與BSG的力相反。

（3）鏈系統作用在曲軸上的力可以忽略不計，因為其導致曲軸彎曲變形的效果與BSG和前端輪系相比微不足道。

（4）為了更好的模擬曲軸旋轉的工況，每10o劃分一個力的方向，同時力是相對曲軸的中心面旋轉的。

4、分析結果

從圖8的分析結果可以得出，曲軸皮帶輪螺栓孔螺紋嚙合深度加深10mm后，曲軸軸頸圓角處應力由754MPa降低到493MPa，應力降低35%。

從圖9的計算結果可以得出，曲軸皮帶輪螺栓孔螺紋嚙合深度加深10mm后，曲軸軸頸圓角處的安全系數由1.0明顯提高到了2.02。優化后安全系數高于標準值1.5，因此優化后的曲軸前端軸頸圓角處疲勞強度完全可以滿足在發動機900轉BSG力矩補償這一惡劣工況下工作。

5、結束語

本文以一個實例，常規發動機增加BSG系統后，通過加深曲軸皮帶輪螺栓螺紋嚙合深度提高曲軸軸頸處安全系數。FEA分析過程中考慮到了發動機增加BSG系統后會導致曲軸前端軸頸圓角處疲勞風險最大的兩種極端惡劣工況，然后對曲軸軸頸處應力情況、安全系數進行計算，最終優化后的方案安全系數滿足了設計目標值，避免了后期曲軸高周疲勞導致的曲軸斷裂，同時避免了后期因質量問題而進行大規模設計變更，造成成本損失和企業形象損失的慘狀的發生。

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The simulation and optimization of the engine crankshaft with BSG system

Chen Shangshang,Zhang Jiaxu,Li Huan,Hu Changliang
（Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd,Anhui Hefei 230601）

It was based on the engine crankshaft optimization scheme to establish a simulation model of the system,and loading the BSG maximum load、FEAD load and TVD bolt load on the FEA model,then calculate the tensile stress and safety factors around the crank nose fillet,thus achieve the purpose of optimizing the strength of the crankshaft nose fillet.

Crankshaft; BSG; High cycle fatigue; Safety factor

U464

A

1671-7988（2016）08-35-03

陳尚尚（1989-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事發動機設計工作。