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2020

平衡轴总成连接螺栓预紧力的计算分析与验证

摘要：根据平衡轴工作载荷，计算出平衡轴总成壳体连接螺栓的预紧力。建立平衡轴总成壳体和连接螺栓的有限元模型，在螺栓上施加上述计算的预紧力。在平衡轴总成壳体轴承座处施加平衡轴工作载荷，分析平衡轴总成壳体之间的接触状态，即确认是否发生离空或是否发生较大的滑移。将平衡轴总成装配到发动机上，并随发动机在台架上进行耐久试验，并对试验结果进行评判。

0 引言

平衡轴总成工作载荷复杂，既有平衡轴配重产生的离心载荷，又有齿轮啮合产生的啮合力，同时又存在发动机和整车传递过来的激励载荷等。为保证平衡轴总成壳体在复杂载荷作用下能够正常工作，螺栓预紧力的大小非常关键。若螺栓预紧力不足，平衡轴上、下壳体之间的接触对或平衡轴壳体与发动机缸体之间的接触对会出现离空或滑移的问题，最终螺栓松脱、平衡轴相关部件脱落并损坏曲轴等旋转部件。相关文献对平衡轴的工作原理和分析计算研究的较多［1－6］，但对平衡轴总成连接螺栓预紧力研究的较少，故本文探讨相关计算方法，并用有限元模型进行分析验证，最后用台架耐久试验验证螺栓预紧力效果。

1 平衡轴总成简介

本文所介绍的平衡轴总成，是为某四缸发动机开发，用于平衡活塞往复运动所引起的二阶惯性力。平衡轴和齿轮装配在壳体内。壳体分为上壳体和下壳体，两壳体以螺栓连接，见图1。同时，平衡轴总成上壳体与发动机缸体亦用螺栓连接。

2 螺栓预紧力计算

平衡轴工作载荷沿螺栓轴向的，称为轴向工作载荷; 沿螺栓径向的，称为径向工作载荷。

2．1 平衡轴轴向工作载荷

平衡轴轴向工作载荷Fwa按下式计算。

Fwa = Fc + Fga + Fs( 1)

式中: Fga为斜齿轮啮合径向载荷，方向与螺栓轴向相同; Fs为来自发动机和整车的激励载荷，按照GMW14116 的28 工况表确定; FC为平衡轴离心载荷，由下式确定:

FC = mrω2 ( 2)

式中: m 为平衡轴质量; r 为平衡轴质心到平衡轴旋转中心线的距离; ω 为平衡轴旋转角速度。

2．2 平衡轴径向工作载荷

平衡轴径向工作载荷Fwr按式( 3) 计算。

Fwr = Fgr + Fs ( 3)

式中: Fgr为斜齿轮啮合轴向载荷，方向与螺栓径向相同。

2．3 螺栓预紧力

平衡轴上、下壳体之间的接触对、上壳体与发动机缸体之间的接触对的离空由平衡轴轴向工作载荷决定，平衡轴上、下壳体之间的接触对、上壳体与发

动机缸体之间的接触对的滑移则由平衡轴径向工作载荷决定。螺栓预紧力F 按式( 4) 计算:

3 建立有限元模型与分析验证

有限元模型包含部分发动机缸体和平衡轴总成的上壳体、下壳体及连接螺栓。平衡轴总成的壳体相对发动机缸体，长度、宽度和高度尺寸均较小。为控制有限元网格数量，截取发动机缸体的一部分进行分析。截取建议是，平衡轴壳体边界外扩≥50mm。截取后，在发动机缸体上形成的面为截取面。

有限元计算的步骤依次为前处理、求解及后处理。前处理软件建议采用HYPEＲMESH 或ANSA，求解和后处理软件建议采用ABAQUS 或ADINA 软件。

3．1 有限元网格划分

有限元单元建议采用二阶四面体或六面体，单元平均尺寸2 mm，最小尺寸1 mm，最大尺寸4 mm。并按表1 检查网格单元质量。

3．2 接触设置

在平衡轴总成中，涉及到的接触对如下:

1) 上壳体与下壳体之间接触对;

2) 上壳体与发动机缸体之间接触对;

3) 螺栓法兰与下壳体之间接触对;

4) 螺栓法兰与上壳体之间接触对;

5) 螺栓外螺纹与上壳体内螺纹之间接触对;

6) 螺栓外螺纹与发动机缸体内螺纹之间接触对。

其中，5) 和6) 螺纹连接的接触对，在ADINA 软件中可以用glue mesh 进行简化处理; 1) －4) 的接触对，需要指定目标面和库伦摩擦系数。按照如下条件之一确定目标面:

a) 接触对中的一个面为刚性面;

b) 若接触对的两个面都是柔性面，则刚度较高的面;

c) 若接触对的两个面刚度一致，则网格较为粗糙的面。

3．3 约束与载荷

约束发动机缸体截取面的6 自由度。在平衡轴壳体的轴承座处施加最大润滑油压，并按表2 施加工况载荷。

3．4 分析结果

将上述有限元模型提交计算后，查看上壳体与下壳体接触对、上壳体与发动机缸体接触对的离空( OPEN) 与滑移情况。若每个工况同时满足下述两个条件，则可以判定螺栓预紧力合理: 螺栓孔边界外扩5 mm 的范围内，均未出现离空; 接触对的最大滑移量不超过0. 1 mm。因篇幅所限，本文只给出工况1 的分析结果图( 图2－图5) 。其余工况的分析结果见表3。

基于以上分析结果，可以说明螺栓发生预紧力衰减并松动的风险较小。

4 试验验证

将平衡轴总成装配到发动机总成上，并随发动机总成在台架上做720 h 高强度耐久试验。试验结束后，经测试所有螺栓松动扭矩，发现扭矩值变化率不足2%，说明螺栓未发生预紧力衰减，即未发生连接失效。

5 结论

由平衡轴工作载荷情况，计算平衡轴总成连接螺栓的预紧力。利用有限元模型对螺栓预紧力的作用效果( 即离空与滑移情况) 进行多工况分析，分析结果证明螺栓预紧力计算合理。将平衡轴总成搭载在发动机总成上进行台架耐久测试，发现螺栓预紧力并未衰减，证明通过计算和有限元分析的结果的正确性。

参考文献

［1］徐兆坤．四缸内燃机振动分析及其对策［J］．噪声与振动控制，2007，27( 6) : 50－53．

［2］樊文心．直列四缸柴油机平衡机构优化设计［J］．内燃机工程，2007，28( 3) : 52－54．

［3］魏薇．直列四缸柴油机倾覆力矩影响因素研究［J］．辽宁工业大学学报( 自然科学版) ，2017，37( 1) : 28－32．

［4］魏云腾．某四缸柴油机平衡轴壳体断裂原因分析与改进［J］．柴油机设计与制造，2016，22( 1) : 37－40．

［5］张树亭．四缸柴油机平衡设计的趋势［J］．柴油机设计与制造，2002，8( 4) : 4－9．

［6］张保成．内燃机动力学［M］．北京: 国防工业出版社，2009: 55－70．