（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某汽油機發(fā)電機螺栓斷裂問題研究

張振興，張德勝，關(guān)瑩，申景倩，張虎

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

針對發(fā)動機臺架試驗過程中出現(xiàn)的發(fā)電機螺栓斷裂問題，間接的通過對整個系統(tǒng)的模態(tài)及強度進行仿真及方案優(yōu)化，解決螺栓斷裂問題，同時提升系統(tǒng)的安全性與可靠性，從而避免了對復雜的甚至無法仿真的螺栓本身的強度進行分析，使得螺栓斷裂問題的仿真變的簡單而容易操作。仿真計算模型在經(jīng)過基于試驗數(shù)據(jù)的標定之后，更加接近于實際模型，易于螺栓斷裂時的問題的重現(xiàn)。經(jīng)過多次方案策劃與仿真分析，得到的樣件在進行可靠性試驗時沒有再次發(fā)生斷裂問題。

螺栓斷裂模態(tài)強度

1 前言

在發(fā)動機開發(fā)和使用過程中，螺栓斷裂是經(jīng)常會遇到的問題，其斷裂原因十分復雜。由于螺栓的仿真分析非常困難，一方面受到螺栓本身的形狀影響，另一方面對于螺栓的接觸處理及螺栓預(yù)緊力的施加對螺栓的影響在仿真時不容易甚至無法處理。本文介紹一種間接處理類似問題的方法，避免了對螺栓的分析，解決了螺栓斷裂問題的同時，也將整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

2 試驗故障描述

某汽油機在進行600 h交變負荷試驗中，發(fā)動機運行到566 h時，發(fā)電機端蓋連接螺栓斷裂。供應(yīng)商將發(fā)電機端蓋連接螺栓由M5更改為M6，再次進行試驗，螺栓仍然斷裂，同時發(fā)電機支架也斷裂，改善效果不明顯。故障情況如圖1。

圖1 螺栓及支架斷裂

3 模態(tài)及振動加速度試驗描述

針對此問題，對該發(fā)電機及周邊部件進行模態(tài)試驗及振動加速度試驗。試驗結(jié)果顯示，此系統(tǒng)的固有頻率在210 Hz附近，在2 630 r/min附近存在較大的振動加速度。而且斷裂螺栓兩端位置的加速度差異較大，結(jié)果如圖2。圖中點12和點16為在螺栓斷裂處安裝傳感器的位置。

該汽油機為直列四缸發(fā)動機，標定轉(zhuǎn)速為5 500 r/min，故其主諧次為2、4、6……，即發(fā)動機的2諧次頻率為183.33Hz。圖3為該汽油機的前端附件支架布置圖。由測試數(shù)據(jù)可得，此發(fā)電機系統(tǒng)模態(tài)安全系數(shù)為210/183.33=1.145，小于一般的經(jīng)驗值1.4，存在共振風險，需要對此系統(tǒng)進行頻率優(yōu)化。

圖2 振動加速度試驗結(jié)果

圖3 附件支架布置

對于此類不能提供準確附件CAD數(shù)模的系統(tǒng)，一般的處理是將附件看作質(zhì)量點，與支架剛性連接，計算其頻率及模態(tài)。在前期設(shè)計的仿真分析就采用了這種方法。計算得到的1階和2階頻率分別為257.77 Hz和352.27 Hz，而實測一階頻率為210 Hz，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果不一致。模型如圖4，結(jié)果如圖5。反映出此建模方法不適于此系統(tǒng)，原因是此系統(tǒng)的附件較多，占據(jù)模型的比例很大，若將其視作質(zhì)量點，由于質(zhì)量點在仿真中是不可變形的剛性聯(lián)接于支架上，使得整個系統(tǒng)的剛度明顯加大，仿真結(jié)果與實際情況差別較大。

圖4 支架仿真模型

圖5 計算結(jié)果

鑒于此，需重新建立模型，并進行標定。創(chuàng)建的新模型是基于部分真實的CAD數(shù)模，原因是，其一，數(shù)模屬于供應(yīng)商的秘密，不會輕易對外公布；其二，附件的數(shù)模相對復雜。在經(jīng)過對附件的材料屬性、質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)動慣量（由供應(yīng)商提供）重新標定后，得到新的FEM模型，對其進行模態(tài)分析，得到結(jié)果顯示，一階頻率198.28Hz，振型與實驗一致，為發(fā)電機整體擺動。頻率誤差為（210-198）/210=5.7%，基本可以接受。仿真模型如圖6，位移結(jié)果圖7，應(yīng)變能結(jié)果如圖8，1階和2階頻率分別為198.3 Hz和285.1 Hz。

圖6 仿真模型

圖7 模態(tài)結(jié)果——位移

圖8 模態(tài)結(jié)果——應(yīng)變能

4 基于仿真的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于整個系統(tǒng)可以優(yōu)化的零部件只有支架及發(fā)電機，發(fā)電機供應(yīng)商提出的原則是只能優(yōu)化外部，內(nèi)部布置不可優(yōu)化。我們先從支架開始優(yōu)化。由標定模型的模態(tài)（振型）結(jié)果，我們可以找到發(fā)電機的振動方向，由應(yīng)變能結(jié)果可以找到受力較大的位置，并據(jù)此對其進行優(yōu)化。

在經(jīng)過發(fā)電機廠家確認，支架生產(chǎn)工藝論證，經(jīng)過5輪的優(yōu)化與分析之后，最終確定了解決方案。首先將發(fā)電機的支撐方式由發(fā)電機三點對支架三點修改為發(fā)電機四點對支架四點，增加支撐，減小發(fā)電機斷裂螺栓兩端的加速度差值，增加系統(tǒng)的整體剛度[1]。其次，在編號為2的位置增加加強筋，提升剛度。對于編號為3的位置，我們認為加強筋的走向存在一定的問題，沒有起到加強筋的作用，應(yīng)該將其拉直，使其與發(fā)動機聯(lián)接的搭子可以承受小的受力。修改好的支架如圖9。

圖9 修改后的支架

對改進的支架系統(tǒng)進行仿真計算，得到模態(tài)結(jié)果如圖10和圖11，改進計算1階振型與原方案一致，頻率升高至288.6 Hz，有較大幅度的提升，滿足設(shè)計的要求。對支架強度進行校核，得到強度結(jié)果如圖12，其最小疲勞安全系數(shù)為1.28，疲勞強度滿足使用要求。

5 改進效果的試驗驗證

通過仿真計算和改進設(shè)計，得到了最終方案。對改進系統(tǒng)進行試驗驗證，得到加速度測試結(jié)果如圖13，發(fā)電機螺栓（前期斷裂位置）兩端加速度測試結(jié)果如圖14。系統(tǒng)固有頻率在310 Hz左右，可以滿足使用要求。

圖10 模態(tài)結(jié)果——坎貝爾圖

圖11 模態(tài)結(jié)果——位移

圖12 疲勞強度結(jié)果

測試結(jié)果顯示，新狀態(tài)系統(tǒng)加速度由8.7 g降到6.7 g，原發(fā)電機斷裂螺栓位置的加速度差值在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)明顯降低，系統(tǒng)得到了很好的優(yōu)化。新樣件經(jīng)過新一輪600 h可靠性試驗后，未出現(xiàn)螺栓斷裂問題，目前正在進行的800 h可靠性試驗也未發(fā)現(xiàn)問題。

圖13 加速度測試結(jié)果

圖14 發(fā)電機螺栓斷裂位置加速度測試結(jié)果

6 結(jié)論

我們針對發(fā)動機開發(fā)過程中出現(xiàn)的發(fā)電機螺栓斷裂問題，結(jié)合試驗所測得的數(shù)據(jù)，建立仿真模型，通過對發(fā)電機整個系統(tǒng)進行模態(tài)、頻率計算，優(yōu)化了發(fā)電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使之滿足了發(fā)動機開發(fā)要求。

1劉延柱.振動力學[M].北京：高等教育出版社，1998.

Research of the Alternator Bolt Fracture of a Gasoline Engine

Zhang Zhenxing,Shen Jingqian,Guan Ying,Zhang Hu,Zhang Desheng
（1.Technical Center,Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China; 2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center,Baoding 071000,China）

The article introduces an indirect method of solving the bolt fracture of a gasoline engine through analyzing and optimizing of frequency and mode of the alternator system and alternator bracket strength.Based on the model calibrated by measurement data,the method make the difficult simulation of bolt fracture trouble easy and such simulation can represent reality.After several design optimizations,the problem does not happen again during the reliability test.

bolt,Fracture,frequency,mode,strength

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.04.007

來稿日期：2013-10-07

張振興（1985-），男，學士，主要研究方向為結(jié)構(gòu)分析方向。