動力總成軸系共振對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動機重要緊固件之一。 本文結合其設計開發、試驗驗證以及車輛搭載匹配過程以及售后市場的問題反饋，探究減振皮帶輪螺栓匹配設計過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計方法做一些有益的探討。

關鍵詞：減振皮帶輪螺栓;扭矩沖擊;計算方法

1 ?減振皮帶輪螺栓功能

在過去，已量產發動機產品中，因減振皮帶輪螺栓故障造成的損失較為重大。深入研究分析問題產生的原理，尋找其根源，有助于未來發動機產品發展，同時也有助于實現低成本設計開發，帶來較好的經濟及社會價值。

減振皮帶輪螺栓通常連接正時系統和前端附件驅動輪系以及其他驅動系統（例如平衡軸系統）提供驅動，與油封配合密封（見圖1）。

如圖1所示，常見結構由曲軸小頭端、正時鏈輪（正時系統）、連接套（提供油封安裝面）、皮帶輪（前端附件驅動輪系）、連接螺栓等組成。

2 ?減振皮帶輪螺栓要求

如圖2所示，借助“結構框圖”對曲軸系前端系統進行詳細分析，連接件設計為曲軸系前端設計重點，正時系統驅動、前端附件驅動輪系、密封系統要求不做深入討論。

與發動機總成同壽命：無故障通過發動機臺架可靠性試驗;

整車搭載可靠性要求：通過整車400循環動力總成耐久試驗。

3 ?設計計算方法

減振皮帶輪螺栓設計計算及分析評價方法：

3.1 原理

①曲軸系前端系統各零部件由皮帶輪螺栓擰緊產生的壓緊力通過摩擦傳遞扭矩，由于曲軸系扭振以及其驅動部件的作用，需要逐個校核計算各摩擦面設計;

②曲軸扭振對連接件產生沖擊，沖擊力矩的大小與連接件處的扭振振幅和慣量相關。扭振扭矩計算可輸入零部件數模、相關參數以及發動機爆壓曲線，借助CAE分析計算輸出;

③識別分析連接部件需求，計算摩擦面積以及力矩需求;

④正時鏈輪等連接部件的傳遞力矩與傳動的零部件數量有關，可以通過齒輪傳動原理計算得到，也可以由試驗測試得出。皮帶輪的傳遞力矩通常按消耗功率計算;

⑤除上述之外，考慮搭載整車使用工況以及動力總成的附加影響等。

3.2 計算步驟

以某型發動機具體參數為例：

①計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（正時系統最大驅動力矩）。

②計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。

③扭振力矩。根據CAE分析結果得出。如表1中第5項。

④摩擦面的需求總力矩。即以上三項之和，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：

其中：Tf——螺栓緊固力矩;

μ——各接觸面間的摩擦系數，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;

3.3 皮帶輪螺栓連接安全系數標準

柴油機≥1.1，汽油機≥1.2。

3.4 實際工況

上述常規設計計算方法僅考慮了發動機正常運轉工況，整車實際使用過程中，仍有一些情況需要補充。例如：搭載雙質量飛輪系統產生的動力總成軸系共振（一般發生在駕駛過程發動機低于許可轉速時）。以下針對該工況進行分析。

①搭載雙質量飛輪、手動變速器的整車，動力總成軸系共振轉速為300-500，發生工況：啟動，停機以及檔位選擇錯誤。計算方法：

1）測試動力總成軸系共振時的最大角加速度;

2）計算曲軸系前端輪系慣量;

3）計算曲軸系前端沖擊扭矩;

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

5）計算安全系數，要求該工況安全系數≥1.2。

例：通過雙質量飛輪沖擊扭矩試驗測得某發動機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;

附件驅動輪系的力矩800×0.079（發電機皮帶）+400×0.0735（空調壓縮機皮帶）=92.6NM;

該工況下螺栓擰緊安全系數：總力矩238NM。

②發動機前端結構設計不同，扭振扭矩造成的影響不同，常規計算方法中，扭振扭矩作為固定值計算，其結果偏差較大。

1）扭振扭矩產生的影響為兩方面：一為零部件自身慣量與扭轉振幅產生慣性扭矩;二為扭轉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。采用皮帶傳動和鏈傳動系統，其扭轉振幅形成的扭矩沖擊區別較大，皮帶系統彈性大，能夠減緩甚至消除沖擊。

2）借助正時系統功能試驗數據，修正計算結果：正時系統最大受力可以通過測試得出，依據其測試結果修正計算。

綜上，在詳細分析計算時，可以在推薦的安全系數基礎上，根據曲軸前端實際結構，結合試驗測試數據評估螺栓擰緊安全系數。

參考文獻：

[1]楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1981.

[2]17-1. Mitschke， M. 1995. Dynamik der Kraftfahrzeuge， Band A， Antrieb und Bremsung. Berlin/Heidelberg/New York： Springer.

[3]Internal Combustion Engine Handbook .SAE.2016.Edited by Richard van Basshuysen and Fred Sch？fer Translated by TechTrans.

[4]VDI： Systematic calculation of highly stressed bolted joints. VDI Guideline 2230， 2002.