2.0 T 汽油機張緊器殼體斷裂問題的分析與優化

摘要：針對2.0 T 汽油機張緊器殼體斷裂問題，借助電鏡和零部件試驗法進行原因分析；通過有限元疲勞分析方法，采用兩步加載的方式，完成了張緊器的仿真模型。對張緊器過渡圓角進行優化，成功解決附件張緊器斷裂問題，優化后的張緊器可順利通過臺架和整車耐久試驗驗證。

關鍵詞：汽油機；張緊器；殼體斷裂；有限元分析

0 前言

目前，車輛電子產品越來越多，對制冷效果的要求越來越高，這對發電機和空壓機的性能提出了更高的要求。車輛經常在接近滿負荷條件下運行，對附件系統的穩定運行提出了很大挑戰。

張緊器是發動機附件系統的重要零部件之一，由張緊臂、張緊器殼體、張緊輪、彈簧和阻尼元件組成。目前，國內外研究學者主要圍繞張緊器的性能進行研究［1］，但對于發動機附件系統開發過程中的張緊器斷裂問題，一直未有有效的分析方案。

某2.0 T 汽油機在臺架試驗中張緊器殼體發生斷裂。針對故障現象，采用電鏡分析法、零部件試驗法和有限元分析法，探明故障發生的原因，提出優化方案，并對優化方案進行仿真分析和臺架耐久試驗，驗證其有效性，為張緊器后續開發提供參考。

1 問題描述

發動機附件系統的功能為驅動發電機、空壓機、水泵和其他附件，其對整車的可靠性和舒適性有重要作用。而張緊器作為附件系統的關鍵零部件，用于保證皮帶恒定張力，穩定系統正常運行，如圖1 所示。該2.0 T 汽油機為直列4 缸、缸內直噴、渦輪增壓發動機，其最大功率為192 kW，最大扭矩為405 N·m。 發動機全程開發需要通過多輪臺架和整車耐久試驗，其中臺架耐久試驗比較苛刻，發動機基本在外特性工況下進行。該2.0 T 汽油機在臺架耐久試驗運行中出現張緊器斷裂，斷裂位置為殼體處，如圖2 所示。

利用電鏡對張緊器殼體斷裂處進行微觀分析，確定該處有明顯的疲勞紋，從而確定該處為疲勞斷裂，斷口位置如圖3 所示。張緊器殼體斷裂處未發現顯著的材料質量缺陷，如縮松、縮孔等。

2 斷裂原因分析

為了確認張緊器殼體斷裂位置是否為強度薄弱處，進行零部件斷裂試驗和有限元疲勞分析。通過多個零部件斷裂試驗確認斷裂位置是否基本一致；通過有限元分析法確認斷裂位置處的疲勞安全系數是否偏低［2］。

2. 1 零部件斷裂試驗

驗證零部件設計強度的常規做法為進行金屬材料拉伸試驗。但是該試驗需要專用尺寸試棒，對零部件結構有一定要求［3］。由于該2.0 T 汽油機張緊器結構尺寸有限，無法取出試棒，所以無法通過金屬材料拉伸試驗驗證強度。設計了張緊器專用的斷裂試驗。將張緊器倒置，固定2 個安裝腳，壓力機在帶輪固定螺栓孔位置加力，如圖4 所示，直到張緊器斷裂。試驗后觀察斷裂位置，并記錄張緊器斷裂時的壓斷力。

將3 個張緊器進行了斷裂試驗，結果如圖5 所示。由圖5 可以看出：斷裂位置基本一致，初步可以確定該斷裂位置是設計薄弱處。同時，張緊器的壓斷力約為4 600 N。

2. 2 有限元疲勞分析

將張緊器作為系統研究對象，重點對張緊器殼體進行強度計算校核，確認張緊器殼體的疲勞安全系數。張緊器建模模型如圖6 所示。根據張緊器殼體實際受載狀態，采用兩步加載法分析張緊器的受力過程，即裝配過程和工作過程。張緊器殼體的受載情況見表1。

經計算，張緊器殼體的疲勞安全系數最低為1.04，低于目標值（1.1）；同時，疲勞安全系數最小處與張緊器殼體實物斷裂位置一致，如圖7 所示。

根據斷裂試驗與疲勞計算，可確認張緊器殼體設計強度不夠。經過局部檢查及分析，發現斷裂位置處過渡圓角過小，為0.5 mm。倒角過小會引起應力集中，從而導致疲勞安全系數過小問題［4］。

3 優化方案

在實際工程開發中，應力在固體局部區域顯著增高的現象稱為應力集中。應力集中問題多出現在缺口、拐角、尖角、溝槽等地方［5］。應力集中會明顯降低結構件的耐載荷能力，所以針對局部開裂引起零部件失效的問題，優化局部圓角是解決問題的一個重要方向。

為了提高張緊器殼體強度薄弱處的疲勞安全系數，增大張緊器殼體處的過渡圓角，將過渡圓角由0.5 mm 增大到2.0 mm。結構優化前后的設計對比如圖8 所示。

4 效果驗證

采用零部件斷裂試驗和有限元分析驗證優化方案的有效性。優化后張緊器壓斷力由4 600 N 提高到了6 200 N，提高了34%。優化后的張緊器有限元疲勞仿真結果如圖9 所示。由圖9 可以看出：優化后張緊器的最低疲勞安全系數由1.04 提高到了1.72，高于目標值。

為了驗證優化方案的有效性，根據優化方案，重新制作樣件。通過三坐標測量，優化后的張緊器局部圓角都滿足要求；優化后的張緊器順利通過了臺架和整車耐久所有試驗，順利完成開發工作。

5 結語

本文針對2.0 T 汽油機附件系統張緊器殼體斷裂，利用電鏡確定零部件斷口類型，判斷張緊器殼體為疲勞斷裂；設計了張緊器斷裂試驗，以快速鎖定斷裂位置，確定張緊器斷裂的原因為零部件設計強度存在不足；通過有限元疲勞分析，對張緊器進行系統建模，并通過兩步加載法完成張緊器疲勞安全系數的仿真，仿真結果與實際情況相符。通過斷裂試驗法和有限元分析得出張緊器斷裂的根本原因為過渡圓角過小導致應力集中。采取增大過渡圓角的方法，以減少應力集中，提高疲勞安全系數。優化后的張緊器順利通過了臺架和整車耐久所有試驗。該張緊器殼體斷裂的原因分析和解決方法，可為后續附件系統的開發提供參考。

參考文獻

［ 1 ］ 曾祥坤，王紅云，劉建榮. 附件驅動系統中自動張緊器的動態特性實測與建模分析[J]. 振動與沖擊，2014（18）：149-155.

［ 2 ］ 李俊琦，王迎波，李德勝，等. 某柴油機EGR 支架與管路斷裂分析與優化[J]. 車輛與動力技術，2022（2）：40-44.

［ 3 ］ 侯琳. 金屬材料拉伸試驗方法探討[J]. 科學與信息，2020（14）：74-75.

［ 4 ］ 田玉泰，陳陽，宋紅年，等. 某柴油機附件支架仿真優化與試驗[J]. 柴油機設計與制造，2021，27（3）：6-13.

［ 5 ］ 李海洋，郭延軍，王魯，等. 不同圓角半徑對三通應力集中區域影響的量化分析[J]. 壓力容器，2021，38（6）：53-60.