2.0 T汽油机张紧器壳体断裂问题的分析与优化.pdf

第 6卷第 4期2023年 8月Vol.6 No.4Aug.2023汽 车 与 新 动 力AUTOMOBILE AND NEW POWERTRAIN2.0 T汽油机张紧器壳体断裂问题的分析与优化王旻（上汽集团创新研究开发总院，上海 202804）摘要：针对 2.0 T 汽油机张紧器壳体断裂问题，借助电镜和零部件试验法进行原因分析；通过有限元疲劳分析方法，采用两步加载的方式，完成了张紧器的仿真模型。对张紧器过渡圆角进行优化，成功解决附件张紧器断裂问题，优化后的张紧器可顺利通过台架和整车耐久试验验证。关键词：汽油机；张紧器；壳体断裂；有限元分析0前言目前，车辆电子产品越来越多，对制冷效果的要求越来越高，这对发电机和空压机的性能提出了更高的要求。车辆经常在接近满负荷条件下运行，对附件系统的稳定运行提出了很大挑战。张紧器是发动机附件系统的重要零部件之一，由张紧臂、张紧器壳体、张紧轮、弹簧和阻尼元件组成。目前，国内外研究学者主要围绕张紧器的性能进行研究1，但对于发动机附件系统开发过程中的张紧器断裂问题，一直未有有效的分析方案。某 2.0 T 汽油机在台架试验中张紧器壳体发生断裂。针对故障现象，采用电镜分析法、零部件试验法和有限元分析法，探明故障发生的原因，提出优化方案，并对优化方案进行仿真分析和台架耐久试验，验证其有效性，为张紧器后续开发提供参考。1问题描述发动机附件系统的功能为驱动发电机、空压机、水泵和其他附件，其对整车的可靠性和舒适性有重要作用。而张紧器作为附件系统的关键零部件，用于保证皮带恒定张力，稳定系统正常运行，如图 1 所示。该 2.0 T 汽油机为直列 4 缸、缸内直喷、涡轮增压发动机，其最大功率为 192 kW，最大扭矩为 405 N m。发动机全程开发需要通过多轮台架和整车耐久试验，其中台架耐久试验比较苛刻，发动机基本在外特性工况下进行。该 2.0 T 汽油机在台架耐久试验运行中出现张紧器断裂，断裂位置为壳体处，如图 2所示。利用电镜对张紧器壳体断裂处进行微观分析，确定该处有明显的疲劳纹，从而确定该处为疲劳断图 12.0 T汽油机附件系统作者简介：王旻（1981），男，硕士，工程师，主要研究方向为直喷汽油机整机研发。设计开发第 4期王旻：2.0 T汽油机张紧器壳体断裂问题的分析与优化裂，断口位置如图 3所示。张紧器壳体断裂处未发现显著的材料质量缺陷，如缩松、缩孔等。2断裂原因分析为了确认张紧器壳体断裂位置是否为强度薄弱处，进行零部件断裂试验和有限元疲劳分析。通过多个零部件断裂试验确认断裂位置是否基本一致；通过有限元分析法确认断裂位置处的疲劳安全系数是否偏低2。2.1零部件断裂试验验证零部件设计强度的常规做法为进行金属材料拉伸试验。但是该试验需要专用尺寸试棒，对零部件结构有一定要求3。由于该 2.0 T 汽油机张紧器结构尺寸有限，无法取出试棒，所以无法通过金属材料拉伸试验验证强度。设计了张紧器专用的断裂试验。将张紧器倒置，固定 2 个安装脚，压 力 机 在 带 轮 固 定 螺 栓 孔 位 置 加 力，如 图 4 所示，直到张紧器断裂。试验后观察断裂位置，并记录张紧器断裂时的压断力。将 3 个张紧器进行了断裂试验，结果如图 5 所示。由图 5 可以看出：断裂位置基本一致，初步可以确定该断裂位置是设计薄弱处。同时，张紧器的压断力约为 4 600 N。2.2有限元疲劳分析将张紧器作为系统研究对象，重点对张紧器壳体进行强度计算校核，确认张紧器壳体的疲劳安全系数。张紧器建模模型如图 6 所示。根据张紧器壳体实际受载状态，采用两步加载法分析张紧器的受力过程，即装配过程和工作过程。张紧器壳体的受载情况见表 1。经计算，张紧器壳体的疲劳安全系数最低为1.04，低于目标值（1.1）；同时，疲劳安全系数最小处与张紧器壳体实物断裂位置一致，如图 7所示。根据断裂试验与疲劳计算，可确认张紧器壳体设计强度不够。经过局部检查及分析，发现断裂位置处过渡圆角过小，为 0.5 mm。倒角过小会引 起 应 力 集 中，从 而 导 致 疲 劳 安 全 系 数 过 小问题4。3优化方案在实际工程开发中，应力在固体局部区域显著图 2张紧器壳体断裂位置图 3张紧器壳体断裂处形貌55第 6卷汽 车 与 新 动 力增高的现象称为应力集中。应力集中问题多出现在缺口、拐角、尖角、沟槽等地方5。应力集中会明显降低结构件的耐载荷能力，所以针对局部开裂引起零部件失效的问题，优化局部圆角是解决问题的一个重要方向。为了提高张紧器壳体强度薄弱处的疲劳安全系数，增大张紧器壳体处的过渡圆角，将过渡圆角由 0.5 mm 增大到 2.0 mm。结构优化前后的设计对比如图 8所示。4效果验证采用零部件断裂试验和有限元分析验证优化方案的有效性。优化后张紧器压断力由 4 600 N 提高到了 6 200 N，提高了 34%。优化后的张紧器有限元疲劳仿真结果如图 9 所示。由图 9 可以看出：优化后张紧器的最低疲劳安全系数由 1.04 提高到了 1.72，高于目标值。为了验证优化方案的有效性，根据优化方案，重新制作样件。通过三坐标测量，优化后的张紧器局部圆角都满足要求；优化后的张紧器顺利通过了图 4张紧器断裂的压断设备图 53个张紧器的断裂试验结果图 6张紧器建模模型结构图 7优化前张紧器疲劳安全系数表 1张紧器壳体受载情况分析步骤装配过程工作过程受载参数销子摇臂最大过盈量/mm皮带轮螺栓夹持力/kN轴向扭簧作用力/N径向扭簧力矩/（N m）带轮最大受力/N振动力/N输入值0.12028020280056第 4期王旻：2.0 T汽油机张紧器壳体断裂问题的分析与优化台架和整车耐久所有试验，顺利完成开发工作。5结语本文针对 2.0 T 汽油机附件系统张紧器壳体断裂，利用电镜确定零部件断口类型，判断张紧器壳体为疲劳断裂；设计了张紧器断裂试验，以快速锁定断裂位置，确定张紧器断裂的原因为零部件设计强度存在不足；通过有限元疲劳分析，对张紧器进行系统建模，并通过两步加载法完成张紧器疲劳安全系数的仿真，仿真结果与实际情况相符。通过断裂试验法和有限元分析得出张紧器断裂的根本原因为过渡圆角过小导致应力集中。采取增大过渡圆角的方法，以减少应力集中，提高疲劳安全系数。优化后的张紧器顺利通过了台架和整车耐久所有试验。该张紧器壳体断裂的原因分析和解决方法，可为后续附件系统的开发提供参考。参考文献1 曾祥坤,王红云,刘建荣.附件驱动系统中自动张紧器的动态特性实测与建模分析J.振动与冲击,2014(18):149-155.2 李俊琦,王迎波,李德胜,等.某柴油机 EGR支架与管路断裂分析与优化J.车辆与动力技术,2022(2):40-44.3 侯琳.金属材料拉伸试验方法探讨J.科学与信息,2020(14):74-75.4 田玉泰,陈阳,宋红年,等.某柴油机附件支架仿真优化与试验J.柴油机设计与制造,2021,27(3):6-13.5 李海洋,郭延军,王鲁,等.不同圆角半径对三通应力集中区域影响的量化分析J.压力容器,2021,38(6):53-60.图 8紧张器壳体优化前后结构对比图 9优化后张紧器疲劳安全系数57