大功率柴油發動機前端輪系自動張緊機構研究

楊獻學　郭文天　曹寓

摘 要：針對大功率柴油發動機前端輪系自動張緊機構，分析了其在系統中的功能、設計指標、試驗要求等，并以此開展了自動張緊機構渦簧關鍵件的設計，通過有限元分析計算、臺架可靠性摸底試驗和實際裝機可靠性試驗測試，自動張緊機構的各項指標滿足大功率柴油發動機前端輪系設計要求，達到了設計目標。通過本次研究，形成的設計和實驗方法為后期類似產品開發提供了依據。關鍵詞：大功率柴油發動機;自動張緊機構;有限元法;可靠性試驗中圖分類號：U461.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-90-04

Abstract：?As to the automatic tightening mechanism of front end wheel for high power diesel engine， the function in the system， the design indicators and the test requirements is analyzed， and in this way the design of the key component of the vortex spring of automatic tensioning mechanism is carried out. Through the finite element analysis calculation， the reliabi?-lity test of the platform and the actual installation reliability test， the various indices of the automatic tensioning mechanism are met and the design goals are achieved. By the time of this study， the design and experimental method used in this paper provide the basis for similar product development in the later stage.Keywords： High power diesel engine; Automatic tightening mechanism; The finite element analysis; The reliability testCLC NO.：?U461.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-90-04

1 引言

隨著汽車工業的發展，大功率柴油發動機在我國多個廠家已研制成功并批量投放市場應用。隨著工業技術水平的提高，發動機的可靠性得到了大幅的提升，在追求本體可靠的同時，其附件的可靠性也嚴重影響著整機的可靠性，影響著用戶的使用。

本文以柴油發動機前端輪系為對象，通過梳理自動張緊機構的功能、設計指標、試驗要求等，設計出自動張緊機構中渦簧關鍵零件，并經仿真分析、可靠性試驗測試，驗證其結構滿足柴油發動機前端輪系系統匹配要求，并具備較高的可靠性，能很好的適用于大功率柴油發動機。

2 前端輪系組成及功能

發動機前端輪系位于發動機前端，通常由皮帶、張緊輪、導輪及帶輪組成，其作用是將曲軸的動力通過皮帶分別傳遞給水泵帶輪，發動機風扇輪帶輪、發電機帶輪和空調壓縮機帶輪，驅動這些系統運轉。系統中通過固定的導輪和張緊輪對皮帶進行導向和壓緊，利用皮帶的摩擦力傳遞曲軸的轉矩，皮帶驅動系統結構示意圖如圖1所示。

張緊輪的作用是壓緊皮帶，使其在發動機全轉速范圍內都能保持良好的張緊力和平穩的運轉，結構如圖2所示，主要由基座、回位彈簧、搖臂、減振組件、皮帶輪組件等組成，張緊機構主要是通過內部的回位彈簧力實時對皮帶進行壓緊，所以前端輪系皮帶能否很好的傳遞動力，關鍵就取決于回位彈簧的能力。

3 張緊機構張緊彈簧設計

3.1 彈簧載荷

根據發動機前端輪系設計要求，張緊機構張緊彈簧的參數要求如表1所示：

3.2 張緊彈簧參數設計

張緊機構張緊彈簧為渦卷型式，由于非接觸型渦卷彈簧剛度較為穩定，使用壽命長，所以此類彈簧通常采用非接觸型渦卷彈簧，渦卷彈簧按以下公式進行參數設計。

4 渦卷彈簧計算驗證

4.1?有限元計算

張緊機構在前端輪系中是一個多角度多工況工作模式，其工作時受發動機轉速、皮帶的松緊等因素影響，張緊機構渦簧受力隨著發動機轉速的增高，其轉角也不斷增大，動力學仿真結果見圖3所示，本次計算選取發動機最高轉速下、張緊機構旋轉到最大角度工況進行渦簧計算，計算實體模型如圖4所示。

采用有限元法對渦簧進行計算分析，有限元計算模型如圖5所示，計算結果如圖6所示。從計算結果可以看出，渦簧在極限工況下應力過度相對平緩，在靠近內圈固定端約1/3圓周上應力相對較大，分布于渦簧簧片兩側，經過應力拾取應力最大約為932MPa，小于材料的屈服極限1180MPa，滿足設計要求。

4.2 試驗驗證

4.2.1?可靠性摸底試驗

設計的渦簧張緊機構依據中值載荷對其進行了臺架可靠性摸底試驗，試驗載荷為工作位擺動到最大限位，試驗頻率為35Hz，如圖7所示將4套張緊機構安裝在扭轉臺上進行試驗。試驗進行到478h時，3號和4號試驗件出現繩索松弛，試驗到552h時，1號和2號試驗件出現繩索松弛，對試驗件進行拆解檢查發現均為渦簧斷裂，斷裂位置為計算的高應力區。

4.2.2?裝機可靠性試驗

設計的渦簧張緊機構依據《發動機機械開發規范中柴油機前端輪系可靠性試驗》要求，隨發動機前端輪系進行了200h瞬態耐久循環試驗測試，如圖8所示，試驗中測試張緊輪臂振動，皮帶對齊度、抖動、張緊力和磨損均滿足要求，表3給出了可靠性試驗的測試數據。

對試驗后的渦簧張緊結構進行拆解檢查，狀態如圖9所示，張緊機構零部件無裂紋，軸承轉動靈活無明顯磨損痕跡，帶輪無偏磨現象，達到了系統設計要求。

5 結論

本文通過系統分析柴油發動機前端輪系工作原理及載荷，梳理出渦簧張緊機構的設計要求，并以此確定渦簧結構各參數，后經有限元分析、臺架摸底試驗和實物裝機測試試驗表明，設計的渦簧自動張緊機構滿足大功率柴油發動機前端輪系可靠性要求，同時以此形成的渦簧張緊機構設計計算及試驗方法，可以指導后續同類產品的開發。

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