淺談柴油機FEAD系統設計與分析方法

高原+陳正林+沈祖杰

【摘 要】柴油機FEAD系統即發動機前端輪系輔件驅動系統，主要用于發動機曲軸動力輸出驅動諸如發電機、空調壓縮機等發動機附屬設備，滿足車輛、船舶的電力供應和制冷需求，FEAD系統設計的優劣對整機電力、空調制冷產生著至關重要的影響，因此對FEAD系統的結構設計、參數計算、CAE分析很有必要。

【Abstract】The FEAD system of diesel engine is the front end accessory drive system of engine， mainly used for crankshaft power output of engine to drive such as generators， air conditioning compressor for engine accessory equipment，to meet the demand of power supply and refrigeration on vehicle and ship， The quality of the FEAD system design has a crucial impact on the whole electric power and air conditioning. So for the FEAD system， structure design， parameter calculation and CAE analysis are very necessary.

【關鍵詞】FEAD系統；結構設計；CAE分析；靜動態計算

【Keywords】FEAD system； structural design； CAE analysis； static and dynamic calculation

【中圖分類號】TH12 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0131-02

1 概述

FEAD系統的目的就是利用曲軸前端動力驅動發動機的外圍輔件，如發電機、空調壓縮機等，以便于滿足車輛或者船舶的蓄電池電力和駕駛艙制冷需求，是發動機重要的應用設計。

設計初期需要關注整體結構邊界條件，考慮總體設計方案，選擇皮帶傳動同時需要考慮皮帶結構的選型，前段輪系系統屬于高速運動系統，需要動態情況下考慮皮帶的張緊方式、滑移率、振幅、帶輪包角、張緊器擺幅等一系列影響因素。確保整個系統在理論設計初期和理論計算模擬時滿足既定要求。

當然如此復雜的動態系統，不僅需要考慮上述自身系統的合理性，而且還需考慮與此系統相關的各個輔件支架的強度和模態，可以采用有限元方法進行CAE分析。

2 設計輸入

論文選用一款直列六缸，排量7.2L，采用多楔帶驅動，自動張緊方式，并加裝空調壓縮機的重型卡車用柴油機FEAD系統。

3 FEAD系統邊界檢查和整體結構設計

通過對發動機整機前端和整車發動機艙等零件的三維模擬和邊界檢查，主要在UG三維軟件的幫助下通過對系統相關零件的三維模型建模得出初步的總體布置結構，確保最基本的空間要求，總體布置原則即是避免干涉、結構緊湊[1]。系統的總體結構包括曲軸皮帶輪、發電機、空調壓縮機、自動張緊器、惰輪。需要滿足預定設計目標，設計目標如下：

基于上述標準要求并結合初步經驗分析設計出的輪系結構，如圖1所示：

曲軸皮帶輪是動力輸出來源，設計原則上皮帶包角必須大于180°，其余槽輪包角要求在120°以上，方可滿足功率傳輸要求，平輪包角不做過高要求。柴油機曲軸皮帶輪逆時針轉動，通過皮帶這個載體給各個輔件輸送功率，并通過軟件計靜態算出每個零件的受力方向和受力大小。通過經驗分析，初步判定結構滿足既定設計目標，但仍然需要通過模擬精確計算系統布置的合理性。

通過初步確定的坐標原點，初步定義各個帶輪的坐標位置，通常取曲軸皮帶輪為原點；確定各個帶輪的外徑、基準直徑、基準寬度、上下槽深、槽寬等數據，用以進行下步的靜態計算，通過三維建模計算得知此坐標數據選取、帶輪直徑選取、帶輪間跨度、多楔帶包角，傳動比均在設計要求范圍內。計算同時給出了限制條件，即各帶輪之間的對楔度要求，設計者需要遵循這一要求開展下一步詳細設計工作。

4 FEAD系統動態仿真計算和詳細設計

確定了各項系統的主要參數，并為后續的動態模擬計算提供了數據輸入，在三維分析軟件SIM-Drive的幫助下建模，輸入預定數據得出動態分析結果，根據動態分析結論可知： 轉速850Rpm時，皮帶張力1040N；帶段抖動≤5%，無干涉情況；皮帶滑移率≤0.5%；使用壽命綜合估算在20萬km至30萬km，均滿足預定設計范圍和標準。[2]

確定了總體設計方案和理論計算數據之后，下一步進行系統的結構設計的零部件清單，此案例需要設計的主要為系統安裝支架，主要作用用來支撐系統各個部件。需要考慮以下問題和注意事項：

①安裝支架的安裝位置和方式；

②空調壓縮機的傾斜角度要求；

③自動張緊器的安裝定位；

④安裝支架需要合理布置和設計加強筋；

⑤安裝支架各帶輪安裝面的尺寸公差必須合理；

⑥各帶輪軸承的選型要合理。

基于以上的注意事項完成詳細三維設計工作，二維生產圖紙繪制之前，相關零件的還需經過CAE軟件的分析進而得知零部件的強度和模態如何，如果理論分析計算未通過，則需要及時改進先前的設計，避免產品在實際運用中造成失效，數據與經驗相結合是最好的工業實踐手段[3]。

5 支架CAE分析

基于有線元法，采用CAE分析軟件Hyperworks /Optistruct 13.0（預處理/解算器）的幫助下，對系統相關零部件進行強度和模態分析，論文主要介紹對安裝支架的分析過程。

分析目的：為了評價和改進安裝支架的強度和模態，需要進行應力分析和模態分析；

設計標準： 模態分析最低頻率要求為143Hz，2200rpm，

通用標準： 模態分析最低頻率要求為180.3Hz，2550rpm。

分析目標：評估系統支架的應力大小和支架模態是否達到最低頻率要求；

創建模型，包括安裝支架、缸體、壓縮機、發電機、張緊器、惰輪、皮帶、螺栓等所有相關零件，預設螺栓為實心截面梁單元，螺紋與其他構件采用剛性（RBE2）連接。

通過分析結論得出以下結論：

①模態分析，安裝支架頻率（ 223.9Hz）高于最低可接受值（180.3Hz）。

②應力分析：最大應力區域為73.7MPa低于HT250材料要求的125MPa

綜上所述，該系統設計滿足既定要求，可以進行二維生產圖紙繪制。同時設計師需要考慮DVP驗證方案。關于DVP方案，主要考慮臺架試驗相關測點布置，空調壓縮機加載模擬工作，試驗時間確定等，具體論文不再累述。

6 結論

通過完成上述概念設計、詳細設計、軟件分析、工程圖以及DVP方案布置等開發流程之后，目前此系統設計已經完成了多輪臺架和整車試驗，未發生支架斷裂、皮帶打滑、系統異響等嚴重質量故障，當前已風險投入市場，為公司及社會帶來一定的經濟效益。

【參考文獻】

【1】劉鑫.柴油發動機運行狀態監測和故障診斷系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2006.

【2】黃強.國5排放重型節能柴油發動機設計與研發[D].長沙：湖南大學，2016.

【3】李軍.柴油發動機電子控制系統硬件設計[D].長春：吉林大學，2006.