一种自动张紧器整体强度的有限元分析方法

1.本发明涉及发动机前端附件驱动系统领域，特别涉及一种自动张紧器整体 强度的有限元分析方法。


背景技术：

2.机械式自动张紧器由张紧臂、壳体、芯轴、衬套、阻尼机构和弹簧组成， 是组成汽车发动机前端附件系统的重要零部件。在目前国内众多张紧器研发企 业中基本没有用有限元软件进行张紧器整体强度分析的能力，这样有很多缺陷， 比如不知道产品强度是否满足要求，不了解产品设计缺陷，不能改善产品结构， 对客户不负责。为公司带来声誉上，收入上不必要的麻烦。只是简单增加产品 材料，违背轻量化设计的要求，增加额外的投入。
3.国内张紧器的研发处于一个较晚的起步阶段，在实际的张紧器产品开发中 目前主要是通过研发工程师的经验判定张紧器是否满足强度要求，主要通过参 考国外成熟产品来改造，不进行cae分析，很难把握产品的结构强度是否满足 要求。因此，在产品设计阶段应该做好张紧器的强度分析具有重要意义，分析 结果可以指导张紧器的结构与安全校核。对应的在张紧器强度满足要求的情况 下，可以减少材料，降低成本。
4.专利cn109214079a《一种自动张紧器阻尼件磨损量的有限元计算方法》提 供了张紧器阻尼机构磨损的计算方法，相比以往的试验法，达到了降低研发周 期，降低成本的目的，但无法对张紧器的整体强度进行分析。


技术实现要素：

5.考虑到张紧器内部零件之间的相互作用，分析时适当简化了结构。简化之后 的结构为张紧臂，壳体，衬套，芯轴。本发明主要解决的技术问题是：提供一 类自动张紧器整体强度的有限元分析方法，该方法可以指导张紧器的结构与安 全校核，大大缩短研发周期，降低成本。
6.为了实现本发明目的，本发明提供的一种自动张紧器整体强度的有限元分析 方法，包括以下步骤：
7.建立张紧器的三维模型，并获取张紧器的参数；
8.对张紧器的三维模型进行简化，简化后的张紧器包括张紧臂、壳体、衬套 和芯轴；
9.分析简化后各个零件的受力关系，并计算得到荷载力；
10.根据阻尼机构与张紧臂、壳体的接触关系，确定弹簧外撑力的作用面积；
11.将简化后结构包含的各零件的三维模型导入绘制网格的软件中，进行网格 划分，得到各零件的网格模型；
12.根据各零件的网格模型得到装配好的张紧器网格模型，即张紧器有限元模型；
13.提交运算，得到应力云图，在应力云图中获取最大应力值，根据最大应力 值获得用来评价张紧器整体强度的安全系数。
14.进一步地，在所述建立张紧器的三维模型时，去掉小于1mm的倒角。
15.进一步地，在所述建立张紧器的三维模型时，将配合方式从过盈配合修改 为间隙配合，间隙的大小为0.02～0.05mm。
16.进一步地，所述张紧器的参数包括张紧器名义位置的摆角、各轮轮毂载荷、 输出扭矩、张紧臂臂长和张紧臂几何位置角。
17.进一步地，所述荷载力的计算方式如下：
18.f
s1
＝f
s2
＝2m
t
/d
19.f
s3
＝k
ps20.式中，f
s1
表示受弹簧切向力，f
s2
表示弹簧外撑力，f
s3
表示弹簧轴向力，m
t
表 示输出扭矩，d为弹簧中径，s为弹簧的预压高度，k
p
为轴向压缩刚度。
21.进一步地，所述将简化后结构包含的各零件的三维模型导入绘制网格的软 件中，进行网格划分中，采用hypermesh软件进行网格划分。
22.进一步地，所述将简化后结构包含的各零件的三维模型导入绘制网格的软件 中，进行网格划分中，先生成面网格，再由面网格生成实体网格的方法获得体 网格，其中生成的面网格中，网格角度为[15
°
，145
°
]。
[0023]
进一步地，所述根据各零件的网格模型得到装配好的张紧器网格模型，包 括：
[0024]
生成所有网格后，建立材料属性与截面属性；
[0025]
将材料属性与截面属性赋予对应的体网格；
[0026]
分别导出赋予好材料与截面属性的体网格成inp文件；
[0027]
将所有inp文件导入有限元分析软件，装配生成张紧器网格模型。
[0028]
进一步地，所述根据最大应力值获得用来评价张紧器整体强度的安全系数 中，将材料的屈服极限除以所得最大应力值即为安全系数。
[0029]
进一步地，得到应力云图后，根据衬套的应力云图来评价张紧器设计是否 平衡。
[0030]
与现有的方法相比，本发明的有益效果至少如下：
[0031]
利用有限元分析软件快速获得张紧器强度是否满足要求，以了解产品设计 缺陷，改善产品结构，促进张紧器的前期开发工作，更可以减少材料，降低成 本。
附图说明
[0032]
图1是张紧器爆炸图；
[0033]
图2是张紧臂，壳体，衬套，芯轴的有限元网格模型示意图；
[0034]
图3是壳体与芯轴的约束示意图；
[0035]
图4是衬套与张紧臂的约束示意图；
[0036]
图5是芯轴与衬套的约束示意图；
[0037]
图6与7是受力的加载示意图；
[0038]
图8是边界条件约束示意图；
[0039]
图9是有限元计算结果应力云图；
[0040]
图10是本有限元分析方法的分析流程图；图11是发动机前端附件驱动系统结构示意图。
[0041]
图中：1-壳体；2-弹簧；3-阻尼机构；4-衬套；5-芯轴；6-张紧臂；7-芯轴。
具体实施方式
[0042]
在下面的描述中结合具体图示阐述了技术方案以便充分理解本发明申请。 但是本发申请能够以很多不同于在此描述的的其他方法来实施，本领域普通技 术人员在没有作出创造性劳动前提下所做类似推广实施例，都属于本发明保护 的范围。
[0043]
在本说明书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限 制本说明。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形 式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示 其他含义。
[0044]
图1给出了一个机械式自动张紧器爆炸图，其中，壳体1安装在发动机机 体上，壳体1与芯轴5过盈配合，芯轴5与衬套4间隙配合，衬套4与张紧臂6 间隙配合，对弹簧3施加一个预紧力，弹簧3一端作用于壳体1，一端将阻尼机 构2压紧在张紧臂6上。
[0045]
本发明提供的一种自动张紧器整体强度的有限元分析方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤1：在自动张紧器的开发前期，建立张紧器的三维模型，并获取张紧器 的参数。
[0047]
如图11所示，为典型的发动机前端附件驱动系统，系统由曲轴轮(cs)1、 空调轮(ac)2、电机轮(alt)3、张紧器(ten)4以及连接四个带轮的多 楔带组成。其中曲轴轮、空调轮、电机轮位置在发动机设计好之后已经固定， 不可改变。对发动机前端附件驱动系统进行静态布局，即设计张紧器参数、位 置和多楔带带长。静态布局好之后可以获得张紧器参数、位置和多楔带带长， 其中静态布局好的张紧臂位置称为张紧器静平衡位置，也叫名义位置，且多楔 带已经有预紧力，此时多楔带对张紧轮的合力与弹簧扭矩平衡，此处弹簧扭矩 不为0。
[0048]
所述张紧器的参数包括张紧器名义位置的摆角、轮毂载荷(多楔带对张紧 轮的合力)、输出扭矩为m
t
、张紧臂臂长和张紧臂几何位置角。
[0049]
在本发明的其中一个实施例中，建立张紧器的三维模型时，将本来过盈配 合的改成间隙配合，间隙的大小为0.02～0.05mm；将较小的倒角(小于1mm的 倒角)去掉。根据张紧器的整体尺寸、需要的结果精度以及计算机的计算能力 决定网格的尺寸为1mm,如果倒角小于1mm，会导致在绘制网格时出现部分网格 角度不在[15
°
，145
°
]范围内。
[0050]
步骤2：根据获取的张紧器参数，分析张紧器内部零件之间的相互作用，适 当简化张紧器结构：保留张紧臂、壳体、衬套和芯轴，去掉弹簧和阻尼机构。
[0051]
对三维模型进行简化中，去掉阻尼机构，在有限元方法实施中将阻尼机构 对壳体及张紧臂的作用用均布力替代。
[0052]
步骤3：在有限元强度分析中添加载荷力这一步需要知道载荷力大小。通过 分析简化后各个零件的受力关系，计算得到荷载力。
[0053]
在本发明的其中一个实施例中，用轮毂载荷通过力矩平衡，转换为弹簧加载 力。对简化后的结构进行受力分析：
[0054]
张紧臂主要承受轮毂载荷f
hb
、弹簧切向力f
s1
、弹簧外撑力f
s2
、弹簧轴向力 f
s3
。根据轮系报告，张紧器在名义位置时，轮毂载荷f
hb
与张紧臂的夹角α，轮 毂载荷为多楔带对张紧轮的合力。
[0055]
三个弹簧力的作用方向为垂直于作用面，作用面分别为弹簧与零件的接触位 置。张紧臂臂长为l。壳体主要承受弹簧切向力f
s1
、弹簧外撑力f
s2
和弹簧轴向 力f
s3
。芯轴，衬套
两个零件在简化后的张紧器强度整体有限元计算中不存在外 力作用，只存在系统内的相互作用。
[0056]
张紧器内部力作用关系为：弹簧力作用在阻尼机构上，阻尼机构作用在张紧 臂、壳体上。阻尼机构与张紧臂、壳体间为面接触，即弹簧力传递到张紧臂、 壳体时变为阻尼机构作用在张紧臂、壳体上的均布力。在有限元分析添加载荷 力步骤中，添加力的大小来源于弹簧力，因此需要计算弹簧力。
[0057]
在名义位置，弹簧力的计算：
[0058]fs1
＝f
s2
＝2m
t
/d
[0059]
式中：d为弹簧中径。
[0060]fs3
＝k
ps[0061]
式中：s为弹簧的预压高度，k
p
为轴向压缩刚度。
[0062][0063][0064]
式中：g为剪切模量，e为杨氏模量，v为泊松比，d为弹簧丝径，n代表螺 旋弹簧的圈数。经计算，可得弹簧轴向力f
s3
。
[0065]
步骤4：根据阻尼机构与张紧臂、壳体的接触关系，确定弹簧外撑力的作用 面积。
[0066]
在本发明的其中一个实施例中，张紧器内部力作用关系为：弹簧作用在阻 尼机构上，阻尼机构作用在张紧臂、壳体上。阻尼机构与张紧臂、壳体间为面 接触，即弹簧外撑力传递到张紧臂、壳体时变为阻尼机构作用在张紧臂、壳体 上的均布力，而有限元强度分析中添加均布力需要知道力的作用面积。本步骤 确定力三要素(大小，方向，作用点)中的作用点。力的方向为垂直于作用面。
[0067]
步骤5：将简化后结构包含的各零件的三维模型导入绘制网格的软件中，进 行网格划分，得到网格模型。
[0068]
在本发明的其中一个实施例中，绘制网格的软件为hypermesh。当然， 可以理解的是，在其他的实施例中可以采用其他绘制网格的软件。
[0069]
在本发明的其中一个实施例中，图2是包括张紧臂、壳体、衬套和芯轴的 张紧器有限元模型。在用hypermesh软件划分网格过程中，采用先生成面网 格，再由面网格生成实体网格的方法获得体网格。其中生成面网格是一个重复 的过程，每次生成完之后，要检查网格质量，特别是影响计算收敛与否的网格 角度，这里角度不能太小，一般应该在15
°
以上，最大角度不能超过145
°
， 直至所有网格满足条件之后再生成体网格。
[0070]
在本发明的其中一个实施例中，在张紧器整体强度有限元分析中，芯轴的 主要作用是约束张紧臂和壳体，对芯轴进行简化，忽略旋铆特征以及退刀槽。
[0071]
步骤6：根据各零件的网格模型得到装配好的张紧器网格模型。
[0072]
具体的，在本发明的其中一个实施例中，本步骤具体包括：
[0073]
步骤6.1：经步骤5生成所有网格之后，建立材料属性与截面属性。并将材 料属性与截面属性赋予对应的体网格。然后分别导出赋予好材料与截面属性的 体网格成inp文
件；
[0074]
步骤6.2：分别将上述inp文件导入有限元分析软件，在该软件中装配各个 零件成系统，如图8所示是装配好之后的张紧器网格模型，获得张紧器有限元 模型。
[0075]
在本发明的其中一个实施例中，所述有限元分析软件采用abaqus软件， 并采用该软件中assemnly模块将各个零件装配成张紧器有限元模型。
[0076]
步骤7：提交运算，得到应力云图，在应力云图中获取最大应力值，获得用 来评价张紧器整体强度的安全系数。
[0077]
具体的，在本发明的其中一个实施例中，本步骤具体包括：
[0078]
步骤7.1：设置好分析步。本模型建立了四个分析步，分别为：
[0079]
step1:建立初步接触，让模型更易收敛；
[0080]
step2:加载平均轮毂载荷；
[0081]
step3:加载最大轮毂载荷；
[0082]
step4：加载最小轮毂载荷。
[0083]
其中，在接触设置中，主从面的定义遵守以下规则：主面的网格尺寸必须 比从面的小；如果单元类型一致，为避免仿真分析时单元发生穿透导致不收敛， 从面的刚度必须比主面的小。具体设置接触方法如下：先定义好各个接触面， 然后在interaction模块中利用tie约束，按照约束原则约束好各个必要的 接触对，共计三个必要约束对。在此衬套与张紧臂或者芯轴与衬套若是利用其 他约束方式，会大大增加计算所需要的时间，大概率遇到不收敛的情况，即使 算出来结果，也与用tie约束所得结果基本无差别。
[0084]
在本发明的其中一个实施例中，约束原则包括壳体与芯轴的约束、衬套与 张紧臂的约束以及芯轴与衬套的约束。可分别参阅图3、图4和图5所示。
[0085]
步骤7.2：建立参考点、作用面、耦合面和坐标系。
[0086]
作用面是指均布载荷力的作用面，即阻尼机构与张紧臂和壳体的接触面。
[0087]
耦合面是指：在添加边界条件时，需要固定壳体上的螺栓孔，找到螺栓孔的 中心点，再将孔面与中心点建立耦合关系，然后约束这个中心点的6个自由度， 即约束了整个孔面的6个自由度。
[0088]
建立坐标系的目的是：在添加载荷力时中，需要添加轮毂载荷，此时通过建 立空间直角坐标系给出力的方向，作用点(力的大小已经知道)，方向为坐标系 的x轴方向，作用点为坐标系原点。
[0089]
步骤7.3：设置边界条件，进行力的加载。
[0090]
图6与图7显示是受力的加载；张紧臂主要承受轮毂载荷f
hb
、弹簧切向力 f
s1
、弹簧外撑力f
s2
、弹簧轴向力f
s3
。根据轮系报告，张紧器在名义位置时，载 荷臂夹角为α，轮毂载荷为f
hb
,输出扭矩为m
t
。三个弹簧力的作用方向为垂直于 作用面，作用面分别为弹簧与零件的接触位置。张紧臂臂长l。壳体主要承受弹 簧切向力f
s1
、弹簧外撑力f
s2
、弹簧轴向力f
s3
。芯轴，衬套两个零件在简化后的 张紧器强度整体有限元计算中不存在外力作用，只存在系统内的相互作用。
[0091]
图8显示的是边界条件约束，壳体螺栓孔6个自由度完全固定。
[0092]
步骤7.4：提交运算，得到应力云图。
[0093]
在本发明的其中一个实施例中，分别得到张紧臂、壳体、衬套和芯轴的应 力云图，
如图9所示。
[0094]
根据应力云图判断最大应力位置和判断危险位置，以便优化张紧器结构。
[0095]
在本发明的其中一个实施例中，将材料的屈服极限除以所得最大应力值即 为安全系数，安全系数越大，张紧器整体强度越高，张紧器可靠性越好。
[0096]
在本发明的其中一个实施例中，张紧臂、壳体使用同一种材料归为一组，芯 轴使用一种材料归为一组，衬套使用一种材料归为一组。用每组零件的应力最 大值进行计算，得到各组零件的安全系数，将安全系数分别与对应材料的经验 值进行比较。
[0097]
在本发明的其中一个实施例中，根据衬套的应力云图可以看出张紧器设计 是否平衡。具体如下：衬套云图变化均匀说明张紧器设计中平衡设计较好，反 之，若所得衬套受力云图应力变化不均，则判定张紧器设计不符合平衡要求条 件，容易形成偏磨损，加速衬套老化，造成张紧器卡死，断裂的严重后果。据 此，可以根据情况改进张紧器的设计。
[0098]
通过本发明提供的方法，可快速获得张紧器整体强度，预测张紧器的设计 是否满足强度要求，预判张紧器设计是否平衡，提前告知产品是否可能断裂的 风险，减少试验的次数，促进张紧器的前期开发工作，大大提高了效率，同时 也为附件轮系的优化设计提供强有力的指导。
[0099]
上述实施例仅为清楚的说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施 方式的限定。其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。