某型號發動機BSG電機支架失效分析

梅夏，黃建忠

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545000）

某型號發動機BSG電機支架失效分析

梅夏，黃建忠

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545000）

某發動機BSG電機支架在試驗中發生斷裂，為分析其失效原因，基于Hymperworks軟件建立了有限元模型進行仿真分析。根據計算結果，找到支架薄弱位置，并進行結構優化。優化后電機支架最大應力得到明顯改善，達到開發目標。

電機支架；強度分析；最大應力；優化；Hyperworks

隨著排放及油耗法規越來越嚴苛，某型號發動機增加帶驅動起動電機（Belt Driven Starter Generator，簡稱BSG）以降低油耗。BSG電機通過支架與發動機缸體連接，電機支架承受BSG電機重力、皮帶壓力及發動機震動引起的慣性力。必須合理設計電機支架，以避免支架薄弱位置出現開裂甚至斷裂等失效。

本文基于Hyperworks軟件，對出現失效的BSG電機支架進行仿真分析，并提出改進方案，以滿足開發目標。

1　失效描述及原因分析

某汽油發動機開發過程中，BSG支架在臺架耐久試驗過程中發生斷裂，如圖1所示。初步分析，由于布置空間需求，電機支架需額外安裝皮帶張緊輪。張緊輪安裝位置為懸臂形式，較為薄弱，可能因機械強度不夠，在耐久試驗過程中發生斷裂。

圖1　BSG電機支架斷裂圖片

2　電機支架結構強度分析

2.1有限元模型

采用CAD軟件UG進行了BSG電機支架及電機殼體的三維實體建模，導入Hypermesh建立模型。模型包含電機支架和BSG電機殼體，電機內部復雜結構用質點代替，螺栓采用梁單元模擬，各部分之間通過剛性單元連接［1］。電機支架與電機殼體劃分Tetra10網格，如圖2所示。

圖2　BSG電機組件有限元圖形

2.2材料參數

各部分材料參數如表1所示。

表1　材料參數表

2.3邊界條件

約束邊界條件：約束BSG電機支架與缸體連接的螺栓孔處的各方向自由度。

載荷邊界條件：施加電機皮帶輪及張緊輪處最大皮帶壓力，并額外對模型施加各方向20倍重力加速度的慣性加速度。

3　計算結果及結構優化

3.1原狀態模型計算結果

使用Radioss求解器對原狀態有限元模型進行計算，得到最大應力為325.3 MPa，超過HT250灰口鑄鐵的強度極限250 MPa.應力集中位置位于懸臂處，與試驗時失效位置相同，計算結果與實際情況相符。計算結果見圖3.

圖3　原狀態應力分布云圖

3.2結構優化

根據計算結果對電機支架進行了結構優化。在支架薄弱位置增加一條強筋，并適當增加原有加強筋厚度，以改善薄弱位置的結構強度。如圖4所示。

圖4　結構優化方案

3.3優化后模型計算結果

對優化后的BSG電機支架重新建模進行計算，得到計算結果為：最大應力降低為132.1MPa，相對于原結構有了明顯改善。考慮建模及計算誤差，對結果乘以1.5倍的安全系數，為198.2 MPa，仍小于支架材料的強度極限250 MPa，滿足設計要求［2］。結果如圖5所示。在后續的臺架耐久試驗中也未再次出現斷裂。

圖5　優化后應力分布云圖

4　結束語

通過有限元分析結合試驗結果的方法，快速找出了某型號發動機BSG電機支架斷裂的原因。通過分析提出了有效的電機支架改進方案，解決了支架斷裂問題，保證了開發節點。通過該例子說明了有限元分析在發動機開發的過程中的重要作用。通過有限元分析，在發動機開發初期即可發現設計中存在的缺陷并及時改善，從而減少相關零件樣件的試制及試驗次數，提高開發效率，縮短開發周期［3］。

［1］王鈺棟，金磊，洪清泉，等.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，等.基于HyperWorks的結構優化設計技術［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［3］G.R.Liu，S.S.Quek.有限元法實用教程［M］.龍述堯，侯淑娟，錢長照，譯.長沙:湖南大學出版社，2004.

Failure Analysis of Engine BSG Motor Bracket

MEI Xia，HUANG Jian-zhong
（SAIC GM Wuling Automobil Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545000，China）

A engine's BSG motor bracket fractured in the test.To analysis the failure，finite element model was built based on Hymperworks software for simulation analysis.According to the calculation result，find the weak location and structure optimization.The optimized motor bracket dramatically improve the maximum stress，achieve the development goal.

motor bracket；stress analysis；maximum stress；optimization；hyperworks

TK412

A

1672-545X（2016）08-0088-02

2016-05-02

梅夏（1988-），男，湖北松滋人，助理工程師，本科，主要研究方向為發動機強度分析。