郎福嘉，張賀，龔?fù)?，劉毅，石?2

1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司,浙江寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江寧波 315800

0 引言

飛輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)上非常重要的零部件，承擔(dān)著儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)做功沖程外的能量和旋轉(zhuǎn)慣性的作用，其位于曲軸的動(dòng)力輸出端，通過與離合器之間的摩擦作用向后傳遞動(dòng)力。另外在飛輪輪緣上鑲嵌有供啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)用的飛輪齒圈，在飛輪上還刻有上止點(diǎn)記號(hào)，用來校準(zhǔn)點(diǎn)火定時(shí)或噴油定時(shí)以及調(diào)整氣門間隙，因此飛輪的裝配質(zhì)量對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能水平高低有著重要影響。為了更好地保證飛輪裝配的質(zhì)量，飛輪螺栓的擰緊工藝就十分關(guān)鍵，這就需要引入自動(dòng)化、數(shù)字化的飛輪螺栓擰緊設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓擰緊過程中擰緊力矩的變化及衰減情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。

同時(shí)就需要在發(fā)動(dòng)機(jī)前端的皮帶輪處利用反力機(jī)構(gòu)來限制因4顆飛輪螺栓同時(shí)擰緊時(shí)所產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，保證螺栓擰緊到位后力矩滿足技術(shù)要求。因此借助CAE仿真分析軟件ABAQUS分析飛輪螺栓擰緊反力機(jī)在承受400 N·m螺栓擰緊力矩作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度情況，為評(píng)估反力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及飛輪螺栓擰緊工藝方案的可行性及合理性提供了重要評(píng)判依據(jù)。

1 飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)的主要作用是利用仿形塊插入到發(fā)動(dòng)機(jī)前端的皮帶輪形成配合，并通過限位插齒卡住傳動(dòng)齒輪限制因?yàn)槁菟〝Q緊導(dǎo)致的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能夠安全有效地將8顆飛輪螺栓在規(guī)定節(jié)拍內(nèi)順利完成擰緊。本文在CATIA三維軟件中建立飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)的三維模型，并轉(zhuǎn)換成Step格式。再把Step格式的數(shù)模導(dǎo)入Hypermesh軟件[1]，創(chuàng)建有限元模型，如圖1所示。

圖1 飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)三維幾何模型

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 幾何模型清理

利用Hypermesh對(duì)反力機(jī)構(gòu)3D模型中存在的一些非關(guān)鍵部位的細(xì)小特征進(jìn)行幾何清理，如模型中的邊倒角、圓角、小孔、小螺栓孔等，這些特征由于遠(yuǎn)離重點(diǎn)分析部位，因此對(duì)于仿真模型的計(jì)算結(jié)果的影響基本可以忽略，但是如果不進(jìn)行清理將會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量。

1.2.2 幾何模型結(jié)構(gòu)及約束簡化

對(duì)于反力機(jī)構(gòu)這種復(fù)雜裝配體，包含的零部件的數(shù)量也十分龐大，但是該機(jī)構(gòu)中實(shí)際需要重點(diǎn)關(guān)注的僅是齒輪及V型限位插齒的強(qiáng)度是否滿足要求。因此考慮到有限元模型創(chuàng)建的效率及軟件計(jì)算周期，故除了對(duì)齒輪及V型限位插齒部分的模型進(jìn)行詳細(xì)建模外，其余部分如底座、伺服電機(jī)、氣缸、坦克鏈、滑臺(tái)、固定螺栓、氣缸支架等不再進(jìn)行建模。另外用于給齒輪傳遞擰緊扭矩的齒輪軸及矩形鍵也不是重點(diǎn)分析對(duì)象，因此這部分也不進(jìn)行建模。利用CATIA測(cè)量出齒輪的質(zhì)心，再根據(jù)質(zhì)心的坐標(biāo)數(shù)值通過Hypermesh軟件創(chuàng)建質(zhì)心Node節(jié)點(diǎn)。然后通過1D面板中的RBE2剛性單元將質(zhì)心Node節(jié)點(diǎn)與齒輪內(nèi)孔圓柱面上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性耦合[2]，并且對(duì)六自由度全部約束。最后將扭矩施加在質(zhì)心Node節(jié)點(diǎn)處，等效代替實(shí)際由齒輪軸及矩形鍵傳遞的扭矩，如圖2所示。

圖2 RBE2單元與齒輪質(zhì)心耦合

限位插齒的滑道通過螺栓與固定板連接，因?yàn)樵撎幍穆菟ㄟB接不是詳細(xì)研究的部位，僅起到約束滑道位置的作用。故采用1D面板中的RBE2單元，對(duì)螺栓孔內(nèi)面的節(jié)點(diǎn)建立剛性耦合，單元類型選擇COUP_KIN，否則導(dǎo)入ABAQUS后，軟件無法識(shí)別。在ABAQUS軟件Load模塊中，于耦合點(diǎn)處創(chuàng)建ENCASTRE(固支)邊界條件，對(duì)6個(gè)自由度全約束，等效代替螺栓固定，如圖3所示。

圖3 螺栓孔R(shí)BE2單元?jiǎng)?chuàng)建ENCASTRE約束

1.2.3 網(wǎng)格劃分

將模型簡化處理后，僅需對(duì)齒輪、限位插齒、插齒滑道3個(gè)部件劃分網(wǎng)格。由于齒輪的形狀比較特殊，齒數(shù)Z為50，可以利用Hypermesh中的Geometry面板下的Solid edit功能，對(duì)齒輪進(jìn)行切分后只保留1/50[3]。對(duì)這個(gè)齒輪的1/50模型劃分六面體網(wǎng)格，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸設(shè)置1 mm。其余齒的網(wǎng)格利用Rotate旋轉(zhuǎn)獲得，這種方法可以大幅提高網(wǎng)格劃分效率。插齒與滑道的基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為1、2 mm，模型中不同的部位將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的放大或者縮小。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對(duì)單元最大角、最小角、扭曲度、翹曲度和雅可比等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制，最終保證所有單元的質(zhì)量滿足計(jì)算要求。反力機(jī)構(gòu)簡化有限元模型如圖4所示。模型單元數(shù)量是1 180 197個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量是1 309 443個(gè)，六面體單元類型為C3D8R，模型網(wǎng)格信息見表1。

圖4 反力機(jī)構(gòu)簡化有限元模型

表1 模型網(wǎng)格信息

1.2.4 材料參數(shù)

齒輪與插齒滑道的材料為45鋼，插齒的材料為40Cr，其材料屬性數(shù)據(jù)見表2。

表2 材料屬性數(shù)據(jù)

2 載荷及邊界條件

反力機(jī)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)就是通過限位插齒與傳動(dòng)齒輪嚙合，使飛輪在同時(shí)擰緊4顆螺栓時(shí)處于一個(gè)靜態(tài)的平衡狀態(tài)，因此按照靜力學(xué)問題分析方法創(chuàng)建相關(guān)邊界條件。飛輪螺栓擰緊會(huì)產(chǎn)生繞X軸正方向旋轉(zhuǎn)的400 N·m扭矩，在ABAQUS軟件Load模塊中將扭矩施加在齒輪質(zhì)心耦合點(diǎn)處，同時(shí)釋放質(zhì)心耦合點(diǎn)繞X軸旋轉(zhuǎn)的自由度，分析工況見表3。

表3 分析工況

為了模型更容易收斂，自定義載荷的幅值曲線[4-5]如圖5所示。Interaction模塊中在齒輪與限位插齒嚙合表面、限位插齒與滑道表面分別創(chuàng)建“face to face”摩擦接觸。滑移公式選擇“Finite sliding”，接觸屬性法向采用“硬接觸”，切向采用庫侖摩擦[6]，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。

圖5 扭矩幅值曲線

τc=μ·p

(1)

式中：τc為臨界切應(yīng)力；

μ為摩擦因數(shù)；

p為法向接觸壓力。

3 結(jié)果分析

利用ABAQUS求解計(jì)算，此次模型共采用4個(gè)分析步，分析步的類型為Static,General。為了保證齒輪與插齒接觸面能夠更好地收斂，需要定義一個(gè)很小的載荷在第一個(gè)分析步，讓接觸關(guān)系平穩(wěn)地建立起來。分析步求解選擇完全牛頓法，由于模型中涉及摩擦接觸，邊界條件為非線性，因此在分析步Basic選項(xiàng)卡中需要打開幾何非線性Nlgeom：On，初始、最小、最大增量步尺寸分別為0.01、1×10-5、0.1，齒輪及限位插齒的應(yīng)力及位移云圖如圖6至圖9所示。

圖6 齒輪及限位插齒Von Mises應(yīng)力云圖

圖7 齒輪及限位插齒位移云圖

圖8 限位插齒應(yīng)力云圖

圖9 限位插齒位移云圖

根據(jù)其Von Mises應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力位于齒輪上為σmax=177.5 MPa，材料為45鋼，其屈服強(qiáng)度σs=355.0 MPa。超過屈服極限材料發(fā)生失效，故采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核。雖然齒輪最大Von Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，但是安全因數(shù)大于2，設(shè)計(jì)偏保守，材料存在浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性比較差。所以需要對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡化設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度足夠的條件下，盡可能地提高經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約設(shè)備的制造成本。

4 飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化后模型的建立

根據(jù)其應(yīng)力云圖可知，限位插齒的最大等效應(yīng)力為σmax=111.2 MPa，也遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度。因此需要對(duì)原方案采用V型布置的兩個(gè)插齒進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，將V型布置的兩個(gè)插齒設(shè)計(jì)成單個(gè)插齒，并且從正上方插入齒輪，同時(shí)插齒的齒數(shù)也由原先的3個(gè)縮減為1個(gè)。

優(yōu)化后的飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)三維幾何模型如圖10所示，優(yōu)化后的反力機(jī)構(gòu)簡化有限元模型如圖11所示，優(yōu)化前后的插齒有限元模型對(duì)比如圖12所示。

圖10 優(yōu)化后的飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)三維幾何模型

圖11 優(yōu)化后的反力機(jī)構(gòu)簡化有限元模型

圖12 優(yōu)化前后的插齒有限元模型對(duì)比

4.2 優(yōu)化后的結(jié)果分析

利用ABAQUS軟件對(duì)簡化設(shè)計(jì)后的有限元模型進(jìn)行重新計(jì)算。優(yōu)化后的齒輪及限位插齒Von Mises應(yīng)力云圖如圖13所示，優(yōu)化后的齒輪及限位插齒位移云圖如圖14所示。

圖13 優(yōu)化后的齒輪及限位插齒Von Mises應(yīng)力云圖

圖14 優(yōu)化后的齒輪及限位插齒位移云圖

由圖13可知，結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計(jì)后在同樣的400 N·m扭矩下的最大等效應(yīng)力也出現(xiàn)在齒輪上為σmax=206.44 MPa，因?yàn)?5鋼的屈服強(qiáng)度σs=355 MPa，滿足第四強(qiáng)度理論。簡化后安全系數(shù)約為1.7，既保證了結(jié)構(gòu)的安全又減少了材料的使用，經(jīng)濟(jì)性得到了提高。所以優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以滿足工藝要求，該方案的可行性得到一致認(rèn)可。最終為飛輪擰緊工藝方案的制定及設(shè)備選型、確定供貨范圍提供了重要依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)本文通過ABAQUS與Hyperworks軟件以發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線飛輪螺栓擰緊反力機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，并利用有限元分析的方法重點(diǎn)對(duì)齒輪及限位插齒部位進(jìn)行強(qiáng)度校核。在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，識(shí)別出結(jié)構(gòu)冗余部位后并利用CATIA三維軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，最終保證了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然滿足承載400 N·m扭矩的要求。同時(shí)也減少了材料浪費(fèi)，機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性得到了大幅改善，為設(shè)備選型及工藝方案規(guī)劃提供了重要數(shù)據(jù)支持。

(2)隨著有限元仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)工藝、生產(chǎn)線設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，不同崗位的工程技術(shù)人員如設(shè)計(jì)工程師、設(shè)備工程師、工藝工程師通過合理的使用有限元仿真技術(shù)，可以更好識(shí)別方案中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于降低項(xiàng)目成本、縮短項(xiàng)目周期、減少物理試驗(yàn)等方面提供了新的工作方向。