基于有限元方法的某发动机水泵皮带轮故障分析

张志斌 马静 王悦 宋文福 郭宇

摘 要：文章以某发动机水泵皮带轮故障为切入点，只采用有限元方法计算的米塞斯应力结果很难再现故障，这是典型的低应力高周疲劳故障的案例，通过结合统计学上的疲劳软件能够很好的再现故障位置。

关键词：皮带轮;有限元方法;疲劳分析

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2020）17-113-02

Fault Analysis of a Certain Engine Pump Pulley Based on Finite Element Method

Zhang Zhibin， Ma Jing， Wang Yue， Song Wenfu， Guo Yu

（Center of Technology， Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co.， Ltd， Heilongjiang Harbin 150060）

Abstract： This paper takes the fault of a certain engine pump pulley as the starting point， the Mises stress result calculated only by finite element method are difficult to reproduce the fault， this is a typical case of low stress and high cycle fatigue failure， the fault location can be reproduce well by combining statistical fatigue software.

Keywords： Pulley; Finite element method; Fatigue analysis

CLC NO.： U467  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）17-113-02

1 引言

本技术中心发动机部门在做某发动机水泵皮带轮单体台架试验时，在皮带轮轮辐和轮毂的圆角处发生了断裂现象，经CAE科相关人员的初步分析锁定故障是皮带载荷引起的低应力高周疲劳破坏，为了从原理上再现故障模式，采取有限元方法结合统计学疲劳方法计算皮带轮的安全系数，分别计算圆角半径分别为0.2毫米和1.2毫米的皮带轮模型。

2 皮带轮的台架试验结果

皮带轮在台架上经历了450个小时候的耐久试验结果如下图1所示，沿圆角处完全断裂。

3 皮带轮的有限元模型

3.1 圆角为0.2毫米的有限元模型

圆角为0.2毫米的有限元模型如下图2所示，为了体现出圆角处的应力集中现象，将圆角的网格划分成三层。

3.2 圆角为1.2毫米的有限元模型

P2混圆角为1.2毫米的有限元模型如下图3所示，为了尽量准确的体现出应力集中现象，同时考虑到计算模型大小问题，将圆角的网格同样划分成三层。

3.3 皮带轮的材料特性

水泵皮带轮主体结构用的是ST12普通冷轧钢，由于通用的有限元计算软件通常需要自己定义单位，本次计算将单位定义成毫米、吨、秒。密度是7.8E-9tone/m3，弹性模量是210000MPa，泊松比设置成0.28，材料的屈服强度是195MPa，ST12冷轧钢的特性跟Q195比较相似。

4 皮带轮计算的载荷条件

对本次皮带轮的计算主要考虑皮带轮旋转过程中受到皮带弹力的作用，由于皮带轮是转动的零部件，因此受到的合力作用是一个相对的旋转力场，为了既能高效的完成计算，又能尽量反映出故障问题，将相对的旋转力场用四个载荷步进行合理简化，将第一个载荷步施加在+Y方向上，第二个载荷步施加在+Z方向上，第三个载荷步施加在-Y方向上，第四个载荷步施加在-Z方向上，在计算ABAQUS中的載荷步设置如下图4所示。

皮带的张力一侧是951N，一侧是987N，皮带对皮带轮的包角是77°，根据力的平行四边形合成法则和余弦定理计算出合力的大小为1544N，这个合力作用下的皮带轮米塞斯应力为30兆帕左右，但是皮带轮的转速是6000rpm，工作时间450小时，那么它一共旋转1.6亿次，这是典型的低应力高周疲劳失效案例，因此需要将有限元计算结果结合统计学概念上的疲劳准则进行联合计算，皮带轮的受力示意图如下图5所示。

5 仿真计算结果

5.1 圆角R0.2的计算结果

圆角R0.2的疲劳结果如下图6所示，从结果中可以看出最小安全系数为1.066，最小安全系数小于参考标准（参考标准是安全系数>1.2），最薄弱区域出现在轮毂和轮辐结合的圆角处。

5.2 设圆角R1.2的计算结果

根圆角R1.2的疲劳结果如下图7所示，从结果中可以看出最小安全系数为3.192，最小安全系数大于参考标准（参考标准是安全系数>1.2），最薄弱区域不是出现在轮毂和轮辐结合的圆角处，而是出现在皮带轮和曲轴的安装面附近。

6 结语

此次仿真计算是技术中心仿真科室参与了市场产品的故障攻关，皮带轮在用户使用过程中产生了破坏，公司积极组织各方人员进行故障调查和原因排查，最终发现供应商提供的皮带轮实物产品和设计图纸要求的圆角有差异，设计部门图纸要求圆角半径为1.2mm，而实物检测结果为圆角半径0.2mm，因此初步怀疑圆角过小导致应力集中，进而导致疲劳破坏，通过仿真计算的结果从原理上证实了此次故障的原因就是圆角过小导致的疲劳破坏。

参考文献

[1] 曾攀.有限元分析及其应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] 庄茁.ABAQUS有限元软件6.4版入门指南[M].北京：清华大学出版社，2004.