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发动机齿圈与飞轮的强度有限元分析

发布于:2021-04-14 21:59
有限元分析

       发动机后端带齿圈的金属圆盘称为飞轮。飞轮用铸钢制成,具有一定的质量,用螺栓固定在曲轴后端面上,其齿圈镶嵌在飞轮外缘。常用发动机飞轮与齿圈设计为一体,可以使得发动机在轴向布置结构紧凑。但对于部分车型而言,由于空间结构限制,发动机的飞轮和齿圈必须采用分离独立结构,此时需要分析齿圈与飞轮强度是否可靠。否则,一旦齿圈或飞轮出现故障,轻则造成发动抖动,重则将导致发动机无法启动,飞轮解体爆炸等严重故障。针对某款齿圈与飞轮分开装配机型进行强度有限元分析。采用主流有限元分析软件进行网格划分、施加材料属性、定义边界条件,然后求解并对计算结果进行分析。网格单元类型为二阶四面体单元。
       对于复杂的装配体分析,首要问题是要考虑各个零件之间的相互作用关系。我们通过对齿圈、飞轮、曲轴、螺栓及摩擦片等零部件之间采用弹性接触模拟,建立它们之间的相互作用关系。齿圈、飞轮及曲轴各部件之间的弹性接触相对滑移量较小,为了减小计算量,我们选择弹性小滑移模型进行模拟。假设从点xn+1对应的主接触参数平面为式中,主平面上的某点x0和平面的2个切向量v1、v2都是主点坐标的函数;ξ1、ξ2是确定平面p的参数,取决于从点到平面且垂直于平面p内v1、v2的向量。定义穿透量h和相对滑移量si,则从点到主接触参数平面的距离为式中,hn为在法线接触方向从点xn+1到主平面p(ξ1,ξ2)的距离。当hn<0时,从面点与主接触面之间无接触;当hn≥0时,从面点与主面产生接触。将线性化式与法向量n相乘,得到距离为点乘并式中,t1、t2为正则化切向量系数。接触面之间的作用分为法向作用力和切向作用力。对于法向作用,有限元软件可默认接触面之间能够传递的接触压力的大小不受限制;当接触压力变为零或者负值时,2个接触面分离,并且去掉相应节点上的接触约束。对于切向作用,有限元分析中的摩擦模型可以为库仑摩擦,即使用摩擦因数来表示接触面之间的摩擦特性。当切向力达到临界切应力之前,摩擦面之间不会产生相对滑动。
       为了准确对齿圈与飞轮进行可靠性分析,计算模型包括曲轴部分、飞轮、齿圈、传动套、离合器从动片(摩擦片)、起动马达部分以及上紧螺栓等。各零部件均按照设计要求进行装配,螺栓预紧力取实际装配值,启动马达输出力矩取正常实际值。  
  图为有限元全模型。为了更准确分析齿圈、飞轮的受力,在分析中考虑各螺栓预紧力,飞轮与摩擦片之间的压紧力,启动马达的输出转矩等。
       由于齿圈只在发动机启动时受力,此时飞轮与离合器分离不输出转矩;而发动机启动以后齿圈与启动马达的齿轮分离,只受到转动惯性力的作用。因此对齿圈只分析启动马达最大输出转矩时齿圈上啮合的齿受力的情况即可。对于飞轮,需要考虑发动机最大输出转矩情况以及离合器对飞轮的压紧力影响,对于动平衡好的飞轮,其转动惯性力的影响可以忽略。启动马达最大输出转矩为20 Nm,发动机最大输出转矩240 Nm。上紧螺栓为M10,上紧力矩为35~55 Nm。分析时取每个螺栓预紧力为25000 N。离合器压紧力为5400 N~5900 N,分析取最大压紧力5900 N。除各螺栓接触面采用绑定接触外,其余均采用小滑移接触。
       分析齿圈强度时,分析模型不包括摩擦片,约束曲轴端部自由度。在启动马达齿轮旋转轴线上创建MPC来施加转矩,同时约束该MPC点的部分自由度。分析飞轮强度时,分析模型不包括启动马达部分,约束曲轴端部自由度。在摩擦片旋转轴线上创建MPC来施加转矩,同时约束该MPC点的部分自由度。


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