王德成,高建紅,劉倫倫,曾超,段良坤,程市
(內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濰柴動(dòng)力股份有限公司,濰坊 261061)
在裝載機(jī)、推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)等非道路機(jī)械行業(yè),液力變矩器廣泛應(yīng)用,發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力由飛輪傳遞到液力變矩器后經(jīng)變速箱傳遞到車橋[1]。為滿足不同平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)與主機(jī)廠之間的配套需求,減少主機(jī)廠底盤零部件變動(dòng),非道路通常設(shè)計(jì)不同長度和直徑的飛輪連接圈,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪與液力變矩器之間的連接裝配。飛輪連接圈與飛輪之間采用螺栓連接,螺栓規(guī)格、數(shù)量、螺栓布置等影響連接的可靠性。
某發(fā)動(dòng)機(jī)配套新平臺(tái)裝載機(jī),其需求功率降低,飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小,曲軸傳動(dòng)系統(tǒng)其余部件不變。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩減少,整機(jī)廠提出降成本措施,建議將飛輪連接圈固定螺栓數(shù)量減少,為此,需仿真分析評(píng)估螺栓的連接可靠性。
本文通過建立曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型,獲得了指定爆發(fā)壓力下飛輪端的最大輸出扭矩;并通過有限元分析軟件仿真了最大輸出扭矩下飛輪與飛輪連接圈的相對(duì)滑移量;然后,根據(jù)仿真結(jié)果,確定了螺栓組布置方案的合理性。
配套新平臺(tái)裝載機(jī)某發(fā)動(dòng)機(jī),其曲軸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 曲軸傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型
該發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪連接圈與飛輪采用9個(gè)螺栓連接。整機(jī)廠建議將發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接圈固定螺栓數(shù)量由9個(gè)減少為6個(gè)。飛輪連接圈固定螺栓位置及建議減少的3個(gè)螺栓位置如圖2所示。
圖2 飛輪連接圈螺栓孔位置
EXCITR Designer軟件包含了發(fā)動(dòng)機(jī)軸系設(shè)計(jì)初期所需要的模塊,將軸系各部件簡化為慣量點(diǎn)和軸段,輸入數(shù)據(jù)相對(duì)較少,可進(jìn)行曲軸疲勞強(qiáng)度分析、軸承分析、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析等,是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要工具[2-3]。
本文基于EXCITR Designer軟件,對(duì)某直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)建立曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型,搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算模型包含的元件有:發(fā)動(dòng)機(jī)、活塞、連桿、軸瓦、減振器、連接副等。通過設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸數(shù)、缸徑行程、連桿長度等全局參數(shù),將各運(yùn)動(dòng)副按機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系連接,得到曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算模型,如圖3所示。
圖3 曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型
輸入發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力參數(shù),其中爆發(fā)壓力曲線要求是,盡量覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速到額定轉(zhuǎn)速的整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間,如圖4所示。
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力
在仿真控制面板上,選擇“Torsion”任務(wù)項(xiàng),得到仿真結(jié)果,如圖5~6所示。從圖5可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的1階頻率為196.2 Hz,高于該發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min時(shí)所對(duì)應(yīng)的4諧次主激勵(lì)頻率193 Hz,模態(tài)滿足要求,軸系共振風(fēng)險(xiǎn)較小,共振引起曲軸系統(tǒng)螺栓失效風(fēng)險(xiǎn)小。從圖6可以看出,飛輪端扭轉(zhuǎn)振動(dòng)傳遞的最大扭矩為4 980.17 Nm,其對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。
圖5 曲軸系固有頻率
圖6 飛輪端螺栓傳遞扭矩
利用有限元前處理軟件Hypermesh,對(duì)曲軸系總成各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,曲軸截取最后1個(gè)主軸頸作為邊界,對(duì)計(jì)算影響不大的幾何細(xì)節(jié)(倒角、倒圓、工藝孔等)做了局部修改和簡化[4],網(wǎng)格大小平均為4 mm,模型共包含網(wǎng)格數(shù)量為425 354個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)量為145 709個(gè),網(wǎng)格模型如圖7所示。
圖7 仿真分析網(wǎng)格模型
螺栓裝配時(shí),應(yīng)保證被連接結(jié)構(gòu)承壓面不發(fā)生壓潰,螺栓預(yù)緊力不超過屈服預(yù)緊力的85%。該發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪連接圈螺栓主要參數(shù)如表1所示。
表1 飛輪連接圈螺栓參數(shù)
螺栓預(yù)緊力的計(jì)算公式如下[5]:
(1)
式中:A為螺栓截面積,mm2,取84.5 mm2(公稱應(yīng)力截面面積和最小直徑對(duì)應(yīng)的截面面積中取最小值);v為常量,取1.0;σ為材料屈服強(qiáng)度,MPa,取940 MPa;p為螺栓螺距,mm,取1.5 mm;d0為螺栓最小直徑,mm,取10.37 mm;d2為螺紋中徑,mm,取11.03 mm;μ為摩擦系數(shù),取最大值0.12。
代入各參數(shù),計(jì)算得到飛輪螺栓的最小預(yù)緊力為75.73 kN。
邊界條件設(shè)置為,約束主軸頸軸承接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)的6個(gè)方向自由度,如圖8所示。螺栓與連接圈、連接圈與飛輪、飛輪與曲軸之間建立摩擦接觸,摩擦系數(shù)取0.13。對(duì)需要考察滑移量的區(qū)域建立nodeSet點(diǎn)集,如圖9所示。施加螺栓初始預(yù)緊力、螺栓預(yù)緊力、旋轉(zhuǎn)離心力及飛輪端扭矩4個(gè)載荷增量步,對(duì)曲軸傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。
圖8 邊界約束條件
圖9 nodeSet點(diǎn)集合
在Abaqus軟件中,滑移被定義為一種累積的相對(duì)移動(dòng),是相對(duì)位移矢量增量和局部切線方向的積。接觸分析中,結(jié)構(gòu)在外界載荷的作用下,從面節(jié)點(diǎn)相對(duì)于主面產(chǎn)生位移。計(jì)算結(jié)束后,各個(gè)分析步中相對(duì)位移的總和被儲(chǔ)存在CSLIP1和CSLIP2中。
引用節(jié)點(diǎn)集nodeSet的CSLIP1和CSLIP2數(shù)據(jù),計(jì)算合成接觸面上的實(shí)際滑移量SR。計(jì)算公式如下:
(2)
式中:SR為實(shí)際滑移量,mm;S1i和S2i分別為第i分析步中滑移平面內(nèi)2個(gè)方向的滑移量,mm。
仿真完成后,提取nodeSet點(diǎn)集處滑移量。結(jié)果顯示,原方案9個(gè)螺栓固定,飛輪和飛輪連接圈之間的最大滑移量為0.009 mm,出現(xiàn)在528 497節(jié)點(diǎn)處,如圖10所示。去掉3個(gè)螺栓的新方案,最大滑移量為0.01 mm,對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置與原方案相同,如圖11所示。
圖10 原方案nodeSet點(diǎn)集處滑移量
圖11 新方案nodeSet點(diǎn)集處滑移量
新方案與原方案相比,飛輪和飛輪連接圈之間的滑移量指標(biāo)增加約10%,但2種方案均滿足滑移量不超過0.01 mm的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因此可以采用新方案,實(shí)現(xiàn)降成本目的。
飛輪連接圈用于傳遞飛輪輸出扭矩,是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)上的重要部件,直接影響整車的動(dòng)力性能。
飛輪連接圈的固定螺栓,其布局、數(shù)量、規(guī)格、等級(jí)等因素對(duì)其連接可靠性有直接影響。為降低成本,可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的載荷扭矩,適度減少連接螺栓數(shù)量,但必須對(duì)螺栓連接的可靠性進(jìn)行分析。