torsional vibration damper BY Guangao
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利用有限元軟件Abaqus計(jì)算了輪轂的應(yīng)力分布情況，并根據(jù)材料的P-S-N曲線預(yù)估了輪轂的疲勞壽命。在此基礎(chǔ)上對(duì)輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得輪轂的最大應(yīng)力大幅減小。
橡膠扭轉(zhuǎn)減振器被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在工作過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高曲軸的疲勞壽命[1][2]。橡膠扭轉(zhuǎn)減振器通常由輪轂、膠圈和慣量環(huán)組成。其中輪轂是減振器和曲軸之間的連接件，將曲軸的運(yùn)動(dòng)傳遞給減振器；膠圈可以吸收曲軸的扭振能量，衰減振動(dòng)。首先分析了減振器輪轂的受力情況，通過(guò)在Abaqus中建立輪轂的有限元模型，分析了輪轂的應(yīng)力分布情況，并根據(jù)材料的P-S-N曲線預(yù)估了輪轂的疲勞壽命。在此基礎(chǔ)上，對(duì)減振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。
該減振器的結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)置慣量環(huán)式的結(jié)構(gòu)。從左到右依次是輪轂、膠圈和慣量環(huán)。輪轂與皮帶輪、曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)盤做成一體，膠圈與慣量環(huán)都在輪轂的腔內(nèi)。膠圈與輪轂和慣量環(huán)之間是以粘結(jié)的方式連接在一起的。減振器在工作過(guò)程中，輪轂上的皮帶輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的主動(dòng)輪，將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率傳遞給各個(gè)附件，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、空調(diào)壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等，因此輪轂受到一個(gè)交變扭矩的作用。輪轂皮帶輪與其他附件輪之間是通過(guò)皮帶來(lái)傳遞動(dòng)力的，因此輪轂還受到皮帶的張力作用。
上述載荷分析考慮的是輪轂的穩(wěn)態(tài)載荷，并沒(méi)有考慮振動(dòng)、沖擊等因素的影響。穩(wěn)態(tài)載荷比動(dòng)態(tài)載荷偏小，為了更好的反應(yīng)實(shí)際情況，并預(yù)留一定的安全余量，將上述載荷都乘以系數(shù)1.8，即最大扭矩為153.9Nm，最大壓力為3881N。輪轂作為減振器的主要承力件，極易發(fā)生疲勞破壞。如果輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，則輪轂的疲勞壽命可能達(dá)不到預(yù)定目標(biāo)。為了分析輪轂的疲勞強(qiáng)度，可以通過(guò)有限元分析的方法，計(jì)算輪轂在皮帶拉力和扭矩作用下的應(yīng)力分布情況。
在有限元軟件Abaqus中建立的幾何模型如圖3所示，其中信號(hào)齒圈部分由于不受力，已經(jīng)在幾何清理中去除了。為了提高分析精度，模型采用六面體網(wǎng)格，共生成了34278個(gè)單元。輪轂的材料為HT250，其彈性模量為138Gpa，泊松比為0.156。輪轂是通過(guò)中間的三個(gè)螺栓安裝在曲軸前端，因此輪轂中間三個(gè)螺栓孔的內(nèi)表面為全約束表面。在輪轂外圈的皮帶輪表面上施加繞輪轂中心軸的153.9Nm的扭矩和一個(gè)平行于輪轂平面的3881N的集中力。計(jì)算得到的應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔處，達(dá)到了128.8Mpa。另外，在中間圓弧過(guò)渡處產(chǎn)生了較大的變形，表明輪轂的剛性偏小。為了減小輪轂的最大應(yīng)力，提高其疲勞壽命，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)采用外置慣量環(huán)式，膠圈直接壓入輪轂和慣量環(huán)之間，慣量環(huán)與皮帶輪做成一體，曲軸轉(zhuǎn)速齒圈信號(hào)盤單獨(dú)制造，安裝時(shí)直接套裝在螺栓上。改進(jìn)后的減振器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，圖中從左到右依次是信號(hào)盤、輪轂、膠圈和慣量環(huán)。為了適應(yīng)膠圈的壓入式結(jié)構(gòu)，輪轂外表面和慣量環(huán)內(nèi)表面中間都有凹槽，從而增大膠圈與輪轂和慣量環(huán)之間的摩擦面積，并起一定的軸向定位的作用。
利用有限元軟件Abaqus計(jì)算分析了某橡膠減振器輪轂的應(yīng)力分布情況，并根據(jù)材料的P-S-N曲線預(yù)測(cè)其疲勞壽命。結(jié)果表明，輪轂的應(yīng)力偏大，疲勞壽命偏小。為此，對(duì)輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得輪轂的最大應(yīng)力由128.8Mpa減小到40.83Mpa，疲勞壽命也由104級(jí)大幅度提高到趨于無(wú)窮大。
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