高原+陳正林+沈祖杰

【摘 要】柴油機(jī)FEAD系統(tǒng)即發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系輔件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)諸如發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)附屬設(shè)備，滿足車輛、船舶的電力供應(yīng)和制冷需求，F(xiàn)EAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)整機(jī)電力、空調(diào)制冷產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響，因此對(duì)FEAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、CAE分析很有必要。

【Abstract】The FEAD system of diesel engine is the front end accessory drive system of engine， mainly used for crankshaft power output of engine to drive such as generators， air conditioning compressor for engine accessory equipment，to meet the demand of power supply and refrigeration on vehicle and ship， The quality of the FEAD system design has a crucial impact on the whole electric power and air conditioning. So for the FEAD system， structure design， parameter calculation and CAE analysis are very necessary.

【關(guān)鍵詞】FEAD系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；CAE分析；靜動(dòng)態(tài)計(jì)算

【Keywords】FEAD system； structural design； CAE analysis； static and dynamic calculation

【中圖分類號(hào)】TH12 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0131-02

1 概述

FEAD系統(tǒng)的目的就是利用曲軸前端動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的外圍輔件，如發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等，以便于滿足車輛或者船舶的蓄電池電力和駕駛艙制冷需求，是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)初期需要關(guān)注整體結(jié)構(gòu)邊界條件，考慮總體設(shè)計(jì)方案，選擇皮帶傳動(dòng)同時(shí)需要考慮皮帶結(jié)構(gòu)的選型，前段輪系系統(tǒng)屬于高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，需要?jiǎng)討B(tài)情況下考慮皮帶的張緊方式、滑移率、振幅、帶輪包角、張緊器擺幅等一系列影響因素。確保整個(gè)系統(tǒng)在理論設(shè)計(jì)初期和理論計(jì)算模擬時(shí)滿足既定要求。

當(dāng)然如此復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不僅需要考慮上述自身系統(tǒng)的合理性，而且還需考慮與此系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)輔件支架的強(qiáng)度和模態(tài)，可以采用有限元方法進(jìn)行CAE分析。

2 設(shè)計(jì)輸入

論文選用一款直列六缸，排量7.2L，采用多楔帶驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)張緊方式，并加裝空調(diào)壓縮機(jī)的重型卡車用柴油機(jī)FEAD系統(tǒng)。

3 FEAD系統(tǒng)邊界檢查和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)前端和整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙等零件的三維模擬和邊界檢查，主要在UG三維軟件的幫助下通過(guò)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)零件的三維模型建模得出初步的總體布置結(jié)構(gòu)，確保最基本的空間要求，總體布置原則即是避免干涉、結(jié)構(gòu)緊湊[1]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括曲軸皮帶輪、發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、自動(dòng)張緊器、惰輪。需要滿足預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

基于上述標(biāo)準(zhǔn)要求并結(jié)合初步經(jīng)驗(yàn)分析設(shè)計(jì)出的輪系結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

曲軸皮帶輪是動(dòng)力輸出來(lái)源，設(shè)計(jì)原則上皮帶包角必須大于180°，其余槽輪包角要求在120°以上，方可滿足功率傳輸要求，平輪包角不做過(guò)高要求。柴油機(jī)曲軸皮帶輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶這個(gè)載體給各個(gè)輔件輸送功率，并通過(guò)軟件計(jì)靜態(tài)算出每個(gè)零件的受力方向和受力大小。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析，初步判定結(jié)構(gòu)滿足既定設(shè)計(jì)目標(biāo)，但仍然需要通過(guò)模擬精確計(jì)算系統(tǒng)布置的合理性。

通過(guò)初步確定的坐標(biāo)原點(diǎn)，初步定義各個(gè)帶輪的坐標(biāo)位置，通常取曲軸皮帶輪為原點(diǎn)；確定各個(gè)帶輪的外徑、基準(zhǔn)直徑、基準(zhǔn)寬度、上下槽深、槽寬等數(shù)據(jù)，用以進(jìn)行下步的靜態(tài)計(jì)算，通過(guò)三維建模計(jì)算得知此坐標(biāo)數(shù)據(jù)選取、帶輪直徑選取、帶輪間跨度、多楔帶包角，傳動(dòng)比均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。計(jì)算同時(shí)給出了限制條件，即各帶輪之間的對(duì)楔度要求，設(shè)計(jì)者需要遵循這一要求開(kāi)展下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)工作。

4 FEAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算和詳細(xì)設(shè)計(jì)

確定了各項(xiàng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，并為后續(xù)的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算提供了數(shù)據(jù)輸入，在三維分析軟件SIM-Drive的幫助下建模，輸入預(yù)定數(shù)據(jù)得出動(dòng)態(tài)分析結(jié)果，根據(jù)動(dòng)態(tài)分析結(jié)論可知： 轉(zhuǎn)速850Rpm時(shí)，皮帶張力1040N；帶段抖動(dòng)≤5%，無(wú)干涉情況；皮帶滑移率≤0.5%；使用壽命綜合估算在20萬(wàn)km至30萬(wàn)km，均滿足預(yù)定設(shè)計(jì)范圍和標(biāo)準(zhǔn)。[2]

確定了總體設(shè)計(jì)方案和理論計(jì)算數(shù)據(jù)之后，下一步進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的零部件清單，此案例需要設(shè)計(jì)的主要為系統(tǒng)安裝支架，主要作用用來(lái)支撐系統(tǒng)各個(gè)部件。需要考慮以下問(wèn)題和注意事項(xiàng)：

①安裝支架的安裝位置和方式；

②空調(diào)壓縮機(jī)的傾斜角度要求；

③自動(dòng)張緊器的安裝定位；

④安裝支架需要合理布置和設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋；

⑤安裝支架各帶輪安裝面的尺寸公差必須合理；

⑥各帶輪軸承的選型要合理。

基于以上的注意事項(xiàng)完成詳細(xì)三維設(shè)計(jì)工作，二維生產(chǎn)圖紙繪制之前，相關(guān)零件的還需經(jīng)過(guò)CAE軟件的分析進(jìn)而得知零部件的強(qiáng)度和模態(tài)如何，如果理論分析計(jì)算未通過(guò)，則需要及時(shí)改進(jìn)先前的設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)用中造成失效，數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合是最好的工業(yè)實(shí)踐手段[3]。

5 支架CAE分析

基于有線元法，采用CAE分析軟件Hyperworks /Optistruct 13.0（預(yù)處理/解算器）的幫助下，對(duì)系統(tǒng)相關(guān)零部件進(jìn)行強(qiáng)度和模態(tài)分析，論文主要介紹對(duì)安裝支架的分析過(guò)程。

分析目的：為了評(píng)價(jià)和改進(jìn)安裝支架的強(qiáng)度和模態(tài)，需要進(jìn)行應(yīng)力分析和模態(tài)分析；

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)： 模態(tài)分析最低頻率要求為143Hz，2200rpm，

通用標(biāo)準(zhǔn)： 模態(tài)分析最低頻率要求為180.3Hz，2550rpm。

分析目標(biāo)：評(píng)估系統(tǒng)支架的應(yīng)力大小和支架模態(tài)是否達(dá)到最低頻率要求；

創(chuàng)建模型，包括安裝支架、缸體、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、張緊器、惰輪、皮帶、螺栓等所有相關(guān)零件，預(yù)設(shè)螺栓為實(shí)心截面梁?jiǎn)卧?，螺紋與其他構(gòu)件采用剛性（RBE2）連接。

通過(guò)分析結(jié)論得出以下結(jié)論：

①模態(tài)分析，安裝支架頻率（ 223.9Hz）高于最低可接受值（180.3Hz）。

②應(yīng)力分析：最大應(yīng)力區(qū)域?yàn)?3.7MPa低于HT250材料要求的125MPa

綜上所述，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足既定要求，可以進(jìn)行二維生產(chǎn)圖紙繪制。同時(shí)設(shè)計(jì)師需要考慮DVP驗(yàn)證方案。關(guān)于DVP方案，主要考慮臺(tái)架試驗(yàn)相關(guān)測(cè)點(diǎn)布置，空調(diào)壓縮機(jī)加載模擬工作，試驗(yàn)時(shí)間確定等，具體論文不再累述。

6 結(jié)論

通過(guò)完成上述概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、軟件分析、工程圖以及DVP方案布置等開(kāi)發(fā)流程之后，目前此系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了多輪臺(tái)架和整車試驗(yàn)，未發(fā)生支架斷裂、皮帶打滑、系統(tǒng)異響等嚴(yán)重質(zhì)量故障，當(dāng)前已風(fēng)險(xiǎn)投入市場(chǎng)，為公司及社會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉鑫.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

【2】黃強(qiáng).國(guó)5排放重型節(jié)能柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與研發(fā)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2016.

【3】李軍.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.