某型特種汽車風扇驅動系統失效分析及結構改進

莫飛，葉智博，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某型特種汽車風扇驅動系統失效分析及結構改進

莫飛，葉智博，聶文福

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章針對某型特種汽車的發動機風扇傳動皮帶頻繁出現早期磨損的現象，分析風扇驅動系統的失效模式，提出結構改進方案，并運用軟件建模及有限元模擬分析的方法對改進結構進行了驗證，結合用戶后續的使用情況表明，該問題已得到解決，提高了系統的可靠度。

早期磨損；尺寸分析；有限元

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-145-03

引言

某型特種汽車底盤搭載的可快速架設大跨度機械化橋梁作業系統，主要用于克服江河、峽谷、溝渠等障礙，提高應對突發事件及抗洪救災時的緊急處置能力，爭取救援時間，能夠起到良好的軍事、社會效益。

該車型投入市場后不久，發現車輛在行駛1000至3000公里左右時，發動機冷卻系風扇傳動皮帶頻繁出現早期磨損甚至皮帶斷裂現象，見圖1。此故障嚴重影響車輛冷卻系統的正常工作，存在發動機過熱的安全隱患。作為重型架橋作業系統的承載、運輸平臺，出現此種故障失效，不僅影響重型架橋系統的運輸機動能力，也導致架橋作業系統無法從發動機取力，影響正常使用。因此，需要盡快排查此故障產生的原因和機理，徹底解決此問題。

1 組成及工況簡介

該車型底盤的冷卻系統由于受到低位駕駛室空間布置的影響，采用低于發動機曲軸中心線的下沉式驅動風扇結構型式，但該結構型式很少用于重型車輛，在該產品開發時發動機廠家沒有相應成熟的風扇驅動結構可供選用，因此冷卻風扇驅動系統僅能根據總布置設計師預留的空間進行開發設計。

改進前的下沉式驅動風扇系統主要由左右支架、固定板、風扇軸承座、皮帶、壓緊輪機構及風扇葉片等組成。整個風扇皮帶驅動系統采用由螺栓連接的分體式結構安裝在發動機前部左右支架連接的固定板之上。同時為保證曲軸皮帶輪和風扇驅動皮帶輪之間的共面和平行，在左右支架和支撐板上設計出長圓孔供裝配調整使用，皮帶壓緊力通過皮帶壓緊輪的螺桿進行手動調節，結構如圖2所示。

圖2 改進前的下沉式驅動風扇結構

發動機運轉后曲軸皮帶輪通過皮帶將動力傳遞至風扇皮帶輪，冷卻風扇隨發動機的工作而同步轉動，風扇驅動系統與發動機前部懸置固定在發動機前端，與發動機形成一體結構，無其他外力影響；與常規發動機高位風扇的驅動原理相同，皮帶的理論設計壽命應不小于10萬公里。

2 故障原因分析

據現場查看風扇皮帶損壞的情況，發現其均呈現出偏磨、高溫燒焦和斷齒等特點，在排除了零部件質量和發動機過熱問題后，重點考慮是曲軸驅動皮帶輪和風扇驅動皮帶輪之間的共面出現了問題。

經分析，改進前的左右支架為鑄件毛坯，安裝面均為機加工，精度可以控制。但支撐板為保證強度要求設計為平板焊接結構，容易產生焊接變形，而圖紙的設計要求中并未對支撐板的平面度進行明確要求，因此在實際裝配過程中由于該零件的平面度誤差較大，加之無專用的工裝夾具對其進行定位，共面情況無法得到保證，兩皮帶輪產生夾角后使皮帶容易出現偏磨、斷裂等故障，故障模型分析如圖3所示。

圖3 故障模型分析簡圖

同時由于改進前的風扇安裝結構是由多個零部件采用螺栓緊固的方式進行連接，尺寸鏈過多，螺栓和安裝孔位的間隙導致累積誤差過大，也使皮帶輪之間的共面情況無法保證；并且在裝調和拆裝過程中螺栓反復打緊，導致壓緊力無法達到要求，行駛過程中隨著發動機的振動，固定螺栓逐漸松動使零件之間產生位移，也會引起皮帶輪前后不共面造成皮帶斷裂。

即使保證支撐板的安裝精度和螺栓的緊固力矩，也會因為該結構的尺寸鏈過多使得裝調和維修過于繁瑣，可靠性不高。因此，需要設計一種可靠性高的新結構徹底解決該車型風扇皮帶早期磨損的問題。

3 結構改進方案

在新結構的設計過程中，考慮通過優化結構設計的方式克服原有分體式結構尺寸鏈過多，裝配精度難保證的問題。具體思路是：將分體式螺栓連接結構改為整體式結構，減少多余的尺寸鏈，通過提高新結構整體式支架安裝部位的加工精度，使零部件連接過程中存在的累積誤差控制在要求范圍之內，以保證兩皮帶輪共面且無夾角，并在有限的空間內合理布置，確保整套風扇傳動系統安裝和維修的方便性。

根據這一設計思路，如果整體支架仍采用原有的“L”型布置方式，必定造成加工難度的增大，精度也會受到角度的影響。因此需要將支架設計為整體平面型式，即風扇軸承座和皮帶壓緊輪的連接方式需由豎直固定改為前后軸向安裝，這樣不僅降低了零件設計和加工的難度，還提高了裝配、調整的工藝性。依靠整體式支架的自身加工精度保證軸向風扇軸承座安裝后不需調整即可滿足風扇皮帶輪與發動機驅動皮帶輪的前后和角度共面的要求，減少中間環節，達到優化設計的目的。改進前后固定支架結構對比見圖4。

圖4 改進前后固定支架結構對比

在發動機懸置固定尺寸、結構不變的前提下設計出平面結構的整體式支架后，將原有豎直安裝的手動皮帶壓緊裝置根據改進提升的需要更換為前后連接結構的自動壓緊輪機構，合理的利用發動機前部有限的安裝空間，結構見圖5。

圖5 改進后的下沉式驅動風扇結構

4 強度分析和疲勞校核

改進結構方案中新設計的整體式支架總成，主要負責對下沉式風扇驅動結構的安裝和發動機前部的支撐，其余部件采用成熟零部件，強度已經過驗證。因此在設計過程中，主要校核新設計的整體式支架總成在強度和疲勞壽命方面能否滿足使用要求。

基于整體式支架總成的ProE三維實體模型，在adams/view軟件中建立多體模型，提取各工況下支架連接點的受力；將幾何模型簡化、清理后導入HyperMesh軟件中。導入后需要對幾何模型存在的縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷進行處理，消除對單元質量的影響。運用HyperMesh的前處理工具，對其模型進行網格單元劃分。

整體式支架總成的材料為QT450-10，彈性模量169GPa，泊松比0.257，密度7.06×103kg/m3，屈服強度310MPa，抗拉強度450MPa。為簡化模型將發動機懸置靜置剛度設定為140N/mm，并擬定了六種加速度極限受力工況導入Hyper Mesh中進行強度分析，設定的工況見表1。

表1 設定工況加載表

圖6是對整體式支架總成結構的有限元分析結果。

圖6 整體式固定支架有限元分析應力云圖

根據經驗，靜態安全因子大于1.5即為合格。分析結果顯示整體支架最小靜態安全因子主要處于加強筋和安裝孔處，且靜態安全因子均大于2.9，最大應力遠小于材料屈服強度，說明支架強度合格。

將強度分析結果導入FEMFAT中進行疲勞分析。根據經驗，當疲勞循環次數大于1E6次時，結構不會產生疲勞破壞。分析結果顯示各工況下最小疲勞循環次數為3.95E11次，表明該結構的疲勞壽命完全能夠滿足使用要求。

因此，經過CAE分析理論校核表明新結構的整體式風扇支架完全能夠滿足使用強度和疲勞要求，甚至還有結構輕量化的余地。

5 結論

本文針對某型特種汽車底盤風扇皮帶早期失效的故障現象，采用科學的方法分析了導致皮帶失效的主要因素，依據分析結果，優化了下沉式驅動風扇系統，運用有限元方法輔助校核全新設計出整體式風扇支架，并對該支架的強度和壽命進行了有限元分析，確保新結構的整體式支架能夠滿足強度和使用要求。有效解決了某型特種汽車底盤風扇皮帶早期失效的問題，經過用戶后續使用再未發生此類問題，通過了可靠性驗證。

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Failure Mode Effects Analysis and Structural Improvements for a Fan Drive System on a Special Vehicle

Mo Fei, Ye Zhibo, Nie Wenfu
（Shaanxi Heavy Duty Automotive Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

This paper deals with the early wear of an engine fan belt drive system on a special vehicle. Failure Mode Effects Analysis (FMEA) is performed on the fan drive system. A structural improvement is proposed, and then validated through software modeling and Finite Element Analysis (FEA). Customer feedback later shows that the problem is solved, and therefore improves the reliability of the system.

craze; analysis; finite element

U467

A

1671-7988 (2017)15-145-03

莫飛，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.053