某型柴油机张紧轮及支架断裂故障分析和优化

邓玫，严永华

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

0 引言

柴油机前端附件驱动轮系 （以下简称前端轮系）主要是负责将曲轴的转动力矩传递给发电机、转向泵、空调压缩机等，带动这些附件平稳地运转。张紧轮的弹力可以保证传动皮带时刻处于张紧状态，降低皮带打滑率和噪声；张紧轮的阻尼可以调节张紧轮摆动的幅度，减少皮带抖动。张紧轮的弹力和阻尼在整个前端轮系的运转过程中起到了至关重要的作用。

本文针对某款柴油机前端轮系在市场上出现的张紧轮壳体和张紧轮支架断裂故障，通过故障件对比、金相检测、铸造模流分析、疲劳强度计算等分析手段，找到故障的根本原因，并确认改进方案的有效性。

1 前端轮系简介

某款柴油机的前端轮系［1］的布置见图1。综合考虑该款发动机需满足适合多种车型发动机机舱空间布置要求，将发电机、空调压缩机和转向泵3个附件的位置布置得比较开，导致皮带偏长，长度为2 670 mm。发动机飞轮为双质量飞轮，曲轴角振动偏大，故发电机采用了隔离振动器 （alternator iso⁃lating decoupler，AID）技术，降低发电机惯量对前端轮系的影响。皮带线绳采用高强度新型材料aramid芳纶。张紧器采用了非对称双阻尼的形式［2］，降低系统的动态张紧力。转向泵和张紧轮共用一个支架，固定在机体上。

2 前端轮系动态分析

根据前端轮系的布置情况，使用AVL的Excite Timing Driver软件，以曲轴前端转速波动、各附件的转动惯量和驱动扭矩为边界条件，对前端轮系进行动态计算评。选取3种皮带状态进行计算校核，分别是：皮带延伸后的极限长度2 697 mm，系统张紧力222 N （状态A）；皮带名义长度2 670 mm，系统张紧力343 N（状态B）；皮带最短长度2 664 mm，系统张紧力397 N（状态C）。计算结果见表1。各附件处的皮带打滑率均小于1%，张紧轮的摆幅稍微有些偏大，各附件的平均hubload随着皮带变短而增大。总体上，前端轮系动态分析情况是能满足使用要求的。

表1 轮系动态计算结果

3 张紧轮壳体断裂问题及分析

市场上连续出现9起张紧轮壳体断裂故障。具体故障模式见图2a）和图2b），张紧器壳体基座的侧壁整块断裂。壳体材质为压铸铝，壁厚要求3．5 mm。对断口进行金相分析未发现明显的金相缺陷。对比9起故障件，发现断裂处顶部的壁厚均约为2．9 mm，见图2c）。由于此处为模具浇铸口，压铸完后需要敲掉多余铝块并进行打磨。但打磨时，使用的是气动锉刀，见图2d），而且对浇铸口打磨无精度控制要求，故出现打磨过多，壁厚偏薄现象。

从张紧轮结构上看，为了很好地控制前端轮系的振动，选用了非对称阻尼的张紧轮。加载过程中，张紧轮中的阻尼块顶住张紧轮基座侧壁和张紧轮摆臂，起到阻尼效果。这个过程中摆臂的摆动力矩会通过阻尼块传到侧壁。

根据前端轮系动态分析结果 （见表1），并将由张紧器摆幅转化的弹簧力和阻尼块对壁面的推力及螺栓预紧力作为边界条件，按照3．5 mm壁厚，使用Abqus强度分析软件计算了张紧器壳体的疲劳强度，结果见图3。由图3可见，应力大的区域就是断裂区域，最大应力为97 MPa，最低安全系数为1．55，标准要求＞1．5（供应商盖茨提供）。可见危险区域的安全系数偏低，若打磨壁厚变薄将成为断裂源头。

增加张紧轮壳体壁厚至4．5 mm，重新进行强度计算，结果见图4。最大应力降低到71 MPa，降低了27%，安全系数升至2．1，增强了壳体的鲁棒性。另外将浇注口改到底部，避免了去除多余铝块和打磨的工序。之后，未再出现壁厚偏薄现象。

4 张紧轮支架断裂分析

前端轮系中，转向泵也安装在张紧轮支架上，张紧轮固定在支架的上部，转向泵固定在支架下部，支架固定在机体上。市场上出现了5起张紧轮支架断裂故障，断裂位置在固定转向泵与张紧轮的过渡区域，见图5。支架断裂后，张紧轮掉落，皮带松脱，前端轮系带动的转向泵、发电机和空调压缩机都停止工作，后果比较严重。

对断口进行金相分析，发现断裂面存在较大铸造孔洞 （见图6），以此为断裂源扩展到整个截面导致断裂。此处为转向泵固定区域向张紧轮固定区域过渡，壁厚设计得比较薄，导致压铸时材料流动不均匀，易出现铸造孔洞。

使用Abqus强度分析软件对张紧轮支架进行强度和高周疲劳计算。将前端轮系动态计算得到的转向泵皮带张紧力和张紧轮所受的力作为边界条件，进行强度计算，计算结果见图7a）。过渡区域的最大应力为233 MPa，已达到支架材料ADC12的抗压屈服强度231 MPa的临界；高周疲劳计算的最小安全系数为 1．8。

针对张紧轮支架过渡区域的薄弱位置，在其正反面均增加了3条加强筋，增强从机体固定点到张紧轮固定点的稳固性。对改进后的张紧轮支架进行强度和高周疲劳计算，计算结果见图7b）。因薄弱位置得以改善，最大应力降到了183 MPa，安全系数提高到 2．6。

正反面的加强筋不仅提高了张紧轮支架的强度，同时增加了压铸时薄弱区域材料的流动速度。使用铸造模流分析软件对改进后的张紧轮支架模具进行模流分析，结果见图8。改进后的张紧轮支架充型顺序模流分析结果表明，薄弱区域 （图8中黑色框内）没有出现流速下降的现象，充型顺序时间基本都在0．23 s左右，同时充满。对改进后的张紧轮支架成品进行切割、金相分析未发现大的铸造孔洞。

5 结论

通过对前端轮系的动态计算及对张紧轮壳体和张紧轮支架的金相分析、强度和疲劳计算，确定造成张紧轮壳体断裂的原因为： （1）浇口打磨措施不严谨，将受力大的部位打磨变薄了； （2）设计的安全系数偏低。通过增加张紧轮壳体壁厚和改进模具设计加以改进，之后故障未再出现。张紧轮支架断裂的原因为： （1）出现大的铸造孔洞； （2）支撑结构设计不合理。通过增加加强筋，改善了结构强度和铸造工艺，之后故障也未再出现。

这2个故障案例说明在轮系开发过程中，不仅要整体考虑前端轮系的动态张紧力、张紧轮摆幅等系统设计可靠性，还要关注零件的可靠性。对铸造类零件，可采用强度计算、铸造模流分析、金相分析等手段对零件的可靠性进行分析，并通过设计优化、改进铸造工艺等方法提高零件的设计鲁棒性和造铸质量，最终提高零件的可靠性。