基于有限元方法的某發動機水泵皮帶輪故障分析

張志斌 馬靜 王悅 宋文福 郭宇

摘 要：文章以某發動機水泵皮帶輪故障為切入點，只采用有限元方法計算的米塞斯應力結果很難再現故障，這是典型的低應力高周疲勞故障的案例，通過結合統計學上的疲勞軟件能夠很好的再現故障位置。

關鍵詞：皮帶輪;有限元方法;疲勞分析

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2020）17-113-02

Fault Analysis of a Certain Engine Pump Pulley Based on Finite Element Method

Zhang Zhibin， Ma Jing， Wang Yue， Song Wenfu， Guo Yu

（Center of Technology， Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co.， Ltd， Heilongjiang Harbin 150060）

Abstract： This paper takes the fault of a certain engine pump pulley as the starting point， the Mises stress result calculated only by finite element method are difficult to reproduce the fault， this is a typical case of low stress and high cycle fatigue failure， the fault location can be reproduce well by combining statistical fatigue software.

Keywords： Pulley; Finite element method; Fatigue analysis

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）17-113-02

1 引言

本技術中心發動機部門在做某發動機水泵皮帶輪單體臺架試驗時，在皮帶輪輪輻和輪轂的圓角處發生了斷裂現象，經CAE科相關人員的初步分析鎖定故障是皮帶載荷引起的低應力高周疲勞破壞，為了從原理上再現故障模式，采取有限元方法結合統計學疲勞方法計算皮帶輪的安全系數，分別計算圓角半徑分別為0.2毫米和1.2毫米的皮帶輪模型。

2 皮帶輪的臺架試驗結果

皮帶輪在臺架上經歷了450個小時候的耐久試驗結果如下圖1所示，沿圓角處完全斷裂。

3 皮帶輪的有限元模型

3.1 圓角為0.2毫米的有限元模型

圓角為0.2毫米的有限元模型如下圖2所示，為了體現出圓角處的應力集中現象，將圓角的網格劃分成三層。

3.2 圓角為1.2毫米的有限元模型

P2混圓角為1.2毫米的有限元模型如下圖3所示，為了盡量準確的體現出應力集中現象，同時考慮到計算模型大小問題，將圓角的網格同樣劃分成三層。

3.3 皮帶輪的材料特性

水泵皮帶輪主體結構用的是ST12普通冷軋鋼，由于通用的有限元計算軟件通常需要自己定義單位，本次計算將單位定義成毫米、噸、秒。密度是7.8E-9tone/m3，彈性模量是210000MPa，泊松比設置成0.28，材料的屈服強度是195MPa，ST12冷軋鋼的特性跟Q195比較相似。

4 皮帶輪計算的載荷條件

對本次皮帶輪的計算主要考慮皮帶輪旋轉過程中受到皮帶彈力的作用，由于皮帶輪是轉動的零部件，因此受到的合力作用是一個相對的旋轉力場，為了既能高效的完成計算，又能盡量反映出故障問題，將相對的旋轉力場用四個載荷步進行合理簡化，將第一個載荷步施加在+Y方向上，第二個載荷步施加在+Z方向上，第三個載荷步施加在-Y方向上，第四個載荷步施加在-Z方向上，在計算ABAQUS中的載荷步設置如下圖4所示。

皮帶的張力一側是951N，一側是987N，皮帶對皮帶輪的包角是77°，根據力的平行四邊形合成法則和余弦定理計算出合力的大小為1544N，這個合力作用下的皮帶輪米塞斯應力為30兆帕左右，但是皮帶輪的轉速是6000rpm，工作時間450小時，那么它一共旋轉1.6億次，這是典型的低應力高周疲勞失效案例，因此需要將有限元計算結果結合統計學概念上的疲勞準則進行聯合計算，皮帶輪的受力示意圖如下圖5所示。

5 仿真計算結果

5.1 圓角R0.2的計算結果

圓角R0.2的疲勞結果如下圖6所示，從結果中可以看出最小安全系數為1.066，最小安全系數小于參考標準（參考標準是安全系數>1.2），最薄弱區域出現在輪轂和輪輻結合的圓角處。

5.2 設圓角R1.2的計算結果

根圓角R1.2的疲勞結果如下圖7所示，從結果中可以看出最小安全系數為3.192，最小安全系數大于參考標準（參考標準是安全系數>1.2），最薄弱區域不是出現在輪轂和輪輻結合的圓角處，而是出現在皮帶輪和曲軸的安裝面附近。

6 結語

此次仿真計算是技術中心仿真科室參與了市場產品的故障攻關，皮帶輪在用戶使用過程中產生了破壞，公司積極組織各方人員進行故障調查和原因排查，最終發現供應商提供的皮帶輪實物產品和設計圖紙要求的圓角有差異，設計部門圖紙要求圓角半徑為1.2mm，而實物檢測結果為圓角半徑0.2mm，因此初步懷疑圓角過小導致應力集中，進而導致疲勞破壞，通過仿真計算的結果從原理上證實了此次故障的原因就是圓角過小導致的疲勞破壞。

參考文獻

[1] 曾攀.有限元分析及其應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] 莊茁.ABAQUS有限元軟件6.4版入門指南[M].北京：清華大學出版社，2004.