動力總成軸系共振導致皮帶輪螺栓失效的分析

劉俊杰 渠娜

摘要：減振皮帶輪螺栓是發動機重要緊固件之一。目前國內主流乘用車動力總成開發中，并未對軸系共振產生的危害做過深入探究。本文以某型乘用車動力總成售后問題反饋入手，結合整個問題處理過程，從設計開發、試驗驗證以及車輛搭載匹配過程探究目前減振皮帶輪螺栓匹配設計方法的缺陷，為減振皮帶輪螺栓乃至曲軸系連接件設計方法做一些有益的探討。

Abstract： Damping pulley bolts are one of the important fasteners for engines. At present， in the development of domestic mainstream passenger car powertrains， there has been no in-depth investigation into the harm caused by shaft resonance. This article starts with the feedback of the after-sales problem of a certain type of passenger car powertrain， and combines the entire problem-handling process to explore the shortcomings of the current vibration damping pulley bolt matching design method from design development， test verification and vehicle onboard matching process， and does some beneficial discussions for the vibration damping pulley bolt and even the crankshaft connection design method.

關鍵詞：皮帶輪螺栓;扭矩沖擊;設計方法

Key words： pulley bolts;torque shock;design method

0? 引言

某型量產發動機，因減振皮帶輪螺栓松脫造成了非常重大的質量損失。故障背景及解決過程如下：①故障全部發生在搭載雙質量飛輪+手動變速器車型;②同款發動機，其他動力總成沒有問題反饋;③所有故障現象的起因均為皮帶輪螺栓松動，設計安全系數1.32，故障率約400PPM;④增大螺栓直徑以增大許用軸力，安全系數提升至1.99;故障率降低至379PPM，無法完全解決;⑤增大螺栓軸力同時增加金剛石墊片以增大接觸面摩擦，進一步增加螺栓傳遞扭矩數值，安全系數4.49，最終解決該問題。

綜上，提升螺栓連接設計安全系數是最終解決該問題的實際有效措施，但遠大于常規皮帶輪螺栓連接設計標準（柴油機≥1.1，汽油機≥1.2）。故深入研究分析問題產生的機理，找到問題真因，有助于未來發動機產品發展，同時也有助于實現低成本設計開發，帶來較好的經濟及社會價值。

以下，結合該問題解決過程，從設計開發、試驗驗證以及搭載匹配過程深入探討目前皮帶輪螺栓設計的不足之處，提出一些實質性對策及解決方法。

1? 皮帶輪螺栓功能

皮帶輪螺栓通常用于連接正時系統和前端附件輪系以及其他驅動系統（圖1）。

如圖1，常見結構由曲軸、正時鏈輪、連接套（提供油封安裝面）、皮帶輪（前端附件驅動輪系）、連接螺栓等組成。

2? 皮帶輪螺栓設計計算方法

2.1 原理

曲軸系前端系統各零部件由皮帶輪螺栓擰緊產生的壓緊力通過摩擦傳遞扭矩，需要逐個校核計算各摩擦面設計。曲軸扭振對連接件產生沖擊，其大小與連接件處的扭振振幅和慣量相關。扭振扭矩計算可輸入零部件數模、相關參數以及發動機爆壓曲線，借助CAE分析計算輸出。正時鏈輪等連接部件的傳遞力矩與傳動的零部件數量有關，可以通過齒輪傳動原理計算得到，也可以由試驗測試得出。皮帶輪的傳遞力矩通常按消耗功率計算。除上述之外，應考慮搭載整車使用工況以及動力總成的附加影響等。

2.2 計算步驟

以上述發動機具體參數為例：

①計算各輪摩擦傳遞的最大力矩：即各齒輪附件載荷最大值;如表1中第4項（正時系統最大驅動力矩）。

②計算曲軸皮帶輪傳遞的最大力矩：

即曲軸皮帶輪附件載荷最大值;如表1中第1-3項。

③扭振力矩：由CAE分析得出。如表1中第5項。

④摩擦面的需求總力矩，即以上三項之和。

⑤壓緊摩擦面的平均作用半徑：

其中：Tf——螺栓緊固力矩;μ——各接觸面間的摩擦系數;Fb——螺栓的軸力;R和r——接觸面的最大和最小半徑;S——螺栓安全系數。

3? 動力總成驗證過程及實際使用工況

3.1 試驗驗證

發動機試驗：目前國標GB/T18297、GB/T19055，中試驗項目無法體現動力總成的相關影響;

整車/動力總成測試。

雙質量飛輪驗證試驗：測試動力總成軸系共振產生的沖擊扭矩，小于等于3000Nm。

以上過程中，考慮動力總成軸系共振扭矩沖擊限于確認雙質量飛輪子零件可靠性，未涉及實際使用過程是否對其他零部件造成影響。

3.2 實際使用工況

搭載雙質量飛輪的整車如發動機轉速低于一定數值，必然發生動力總成軸系共振。例如：搭載雙質量飛輪、手動變速器的整車，動力總成軸系共振轉速約為300-500rpm，故在啟動，停機以及檔位選擇錯誤時，發動機均有可能進入共振轉速區間。

4? 沖擊扭矩與皮帶輪螺栓匹配

4.1 軸系共振產生的沖擊扭矩的影響分析

①軸系共振的沖擊扭矩在雙質量飛輪試驗中可以測出，故發動機軸系零部件均會有扭矩沖擊。②發動機為皮帶輪螺栓設計中，動力總成沖擊扭矩也應合并入扭振扭矩中進行計算分析。③常規計算方法中，因未將沖擊扭矩列入考慮對象，故其結果偏差較大。

1）扭振扭矩產生的影響為兩方面，一為零部件自身慣量與扭轉振幅產生慣性扭矩;二為扭轉振幅在齒輪上形成的扭矩沖擊，該部分與扭振振幅和輪系慣量相關。2）正時系統最大受力可以通過測試得出，可依據其測試結果修正計算。

4.2 結論及皮帶輪螺栓匹配計算方法

考慮扭振扭矩后，發現存在不滿足安全系數標準的現象。

綜上，某些特定工況下產生的動力總成軸系共振的沖擊扭矩是皮帶輪螺栓松脫的根本原因。故，應將沖擊扭矩的影響作為在皮帶輪螺栓設計中列入。可在推薦的安全系數基礎上，根據曲軸前端實際結構，結合試驗測試數據評估螺栓擰緊安全系數。推薦以下方法具體實施：

①測試動力總成軸系共振時的最大角加速度;②計算曲軸系前端輪系慣量;③計算曲軸系前端沖擊扭矩;④附件驅動輪系沖擊扭矩：軸系共振情況下，附件驅動皮帶打滑，沖擊力矩為附件皮帶張緊力與作用半徑的乘積;⑤計算安全系數，要求該工況安全系數≥1.2。

參考文獻：

[1]Internal Combustion Engine Handbook. SAE. 2016. Edited by Richard van Basshuysen and Fred Schfer Translated by TechTrans.

[2]VDI： Systematic calculation of highly stressed bolted joints. VDI Guideline 2230， 2002.

[3]17-1. Mitschke， M. 1995. Dynamik der Kraftfahrzeuge， Band A， Antrieb und Bremsung. Berlin/Heidelberg/New York： Springer.