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        發動機齒圈與飛輪的強度有限元分析

        發布于:2021-04-14 21:59
        有限元分析

               發動機后端帶齒圈的金屬圓盤稱為飛輪。飛輪用鑄鋼制成,具有一定的質量,用螺栓固定在曲軸后端面上,其齒圈鑲嵌在飛輪外緣。常用發動機飛輪與齒圈設計為一體,可以使得發動機在軸向布置結構緊湊。但對于部分車型而言,由于空間結構限制,發動機的飛輪和齒圈必須采用分離獨立結構,此時需要分析齒圈與飛輪強度是否可靠。否則,一旦齒圈或飛輪出現故障,輕則造成發動抖動,重則將導致發動機無法啟動,飛輪解體爆炸等嚴重故障。針對某款齒圈與飛輪分開裝配機型進行強度有限元分析。采用主流有限元分析軟件進行網格劃分、施加材料屬性、定義邊界條件,然后求解并對計算結果進行分析。網格單元類型為二階四面體單元。
               對于復雜的裝配體分析,首要問題是要考慮各個零件之間的相互作用關系。我們通過對齒圈、飛輪、曲軸、螺栓及摩擦片等零部件之間采用彈性接觸模擬,建立它們之間的相互作用關系。齒圈、飛輪及曲軸各部件之間的彈性接觸相對滑移量較小,為了減小計算量,我們選擇彈性小滑移模型進行模擬。假設從點xn+1對應的主接觸參數平面為式中,主平面上的某點x0和平面的2個切向量v1、v2都是主點坐標的函數;ξ1、ξ2是確定平面p的參數,取決于從點到平面且垂直于平面p內v1、v2的向量。定義穿透量h和相對滑移量si,則從點到主接觸參數平面的距離為式中,hn為在法線接觸方向從點xn+1到主平面p(ξ1,ξ2)的距離。當hn<0時,從面點與主接觸面之間無接觸;當hn≥0時,從面點與主面產生接觸。將線性化式與法向量n相乘,得到距離為點乘并式中,t1、t2為正則化切向量系數。接觸面之間的作用分為法向作用力和切向作用力。對于法向作用,有限元軟件可默認接觸面之間能夠傳遞的接觸壓力的大小不受限制;當接觸壓力變為零或者負值時,2個接觸面分離,并且去掉相應節點上的接觸約束。對于切向作用,有限元分析中的摩擦模型可以為庫侖摩擦,即使用摩擦因數來表示接觸面之間的摩擦特性。當切向力達到臨界切應力之前,摩擦面之間不會產生相對滑動。
               為了準確對齒圈與飛輪進行可靠性分析,計算模型包括曲軸部分、飛輪、齒圈、傳動套、離合器從動片(摩擦片)、起動馬達部分以及上緊螺栓等。各零部件均按照設計要求進行裝配,螺栓預緊力取實際裝配值,啟動馬達輸出力矩取正常實際值! 
          圖為有限元全模型。為了更準確分析齒圈、飛輪的受力,在分析中考慮各螺栓預緊力,飛輪與摩擦片之間的壓緊力,啟動馬達的輸出轉矩等。
               由于齒圈只在發動機啟動時受力,此時飛輪與離合器分離不輸出轉矩;而發動機啟動以后齒圈與啟動馬達的齒輪分離,只受到轉動慣性力的作用。因此對齒圈只分析啟動馬達最大輸出轉矩時齒圈上嚙合的齒受力的情況即可。對于飛輪,需要考慮發動機最大輸出轉矩情況以及離合器對飛輪的壓緊力影響,對于動平衡好的飛輪,其轉動慣性力的影響可以忽略。啟動馬達最大輸出轉矩為20 Nm,發動機最大輸出轉矩240 Nm。上緊螺栓為M10,上緊力矩為35~55 Nm。分析時取每個螺栓預緊力為25000 N。離合器壓緊力為5400 N~5900 N,分析取最大壓緊力5900 N。除各螺栓接觸面采用綁定接觸外,其余均采用小滑移接觸。
               分析齒圈強度時,分析模型不包括摩擦片,約束曲軸端部自由度。在啟動馬達齒輪旋轉軸線上創建MPC來施加轉矩,同時約束該MPC點的部分自由度。分析飛輪強度時,分析模型不包括啟動馬達部分,約束曲軸端部自由度。在摩擦片旋轉軸線上創建MPC來施加轉矩,同時約束該MPC點的部分自由度。


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