（机械设计及理论专业论文）汽车自动张紧轮设计理论及优化.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本硕士论文项目针对某型轿车发动机配套的进口自动张紧轮展开理论和实 验研究 为自动张紧轮的国产化提供了设计理论和技术指导 本论文围绕张紧 轮的研究工作 主要阐述了如下几方面的内容 绪论部分回顾了张紧轮的技术背景 阐述了张紧轮在国内外的研究 应用 状况及发展趋势 介绍课题的主要工作内容 论文第二章对张紧轮的工作机理 主要结构部件及其功能作了详细的介绍 阐述所研究汽车自动张紧轮的主要性能要求及解决方案 第三章 对所研究的张紧轮进行了受力分析 首先 对所研究的张紧轮进 行了受力分析和力学特性计算 建立张紧轮的刚体力学模型 研究在工作状态 下各零件之间的相互运动和受力关系 确定影响张紧轮外特性 阻尼和工作扭 矩 的主要因素 并以有限元分析为主要工具 深入剖析各零件相互作用关系 接着 对所研究张紧轮中的弹簧组件进行有限元的分析研究 模拟了弹簧的工 作过程 分析诸设计参数 如零件结构 材料 装配尺寸等 和非线性扭力曲 线 轴向力 接触应力 摩擦力的关系 确立零件设计原理 并对传统弹簧计 算公式进行了优化 第四章主要利用模糊数学中贴近度的方法 探讨了在实际工厂工艺生产过 程中影响张紧轮扭矩 阻尼的主要因素 并利用数据处理研究的方法 初步探 讨了各因素对扭矩 阻尼的影响程度 第五章 对所研究张紧轮中阻尼的来源和影响因素进行分析 并提出了用 灵敏度对弹簧组件精度的设计优化 并针对企业张紧轮样件生产过程中出现的 问题 根据理论分析提出改进方案 验证了利用灵敏度方程对实际生产中的质 量问题解决的有效性 论文最后对课题的主要工作进行了总结 并对将来的工作进行了展望 关键词 张紧轮 扭矩 阻尼 贴近度 上海大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp r o j e e ti sm a i n l y0 1 1t h er e s e a r c ho fi m p o r t e da u t ot e n s i o nb e l tp u l l e yf o r t h e e n g i n e o fc e r t a i nc a rt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y d e s i g n t h e o r y a n d t e c h n o l o g i c a lg u i d a n c ea r ei n v e s t i g a t e df o rt h ep u r p o s eo fl o c a lm a n u f a c t u r i n g o ft h e a u t ot e n s i o nb e l tp u l l e y t h em a i nw o r k so ft h i sp r o j e c th a v eb e e nd o n ea r e i n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s i nt h ep r e f a c e t h et e c h n o l o g i c a lb a c k g r o u n do ft e n s i o nb e l tp u l l e yi sr e v i e w e d t h ed e v e l o p m e n to ft e n s i o nb e l tp u l l e ya n dm a j o rr e s e a r c hw o r k sa r ea l s oi l l u s t r a t e d i n c h a p t e r2 t h em e c h a n i s m k e yc o m p o n e n t s a n d f u n c t i o n so ft h e s e c o m p o n e n t si n t e n s i o nb e l tp u l l e ya r ed e s c r i b e di n d e t m l m a j o rp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n ta n dd e s i g nd i f f i c u l t i e so fa u t ob e l tt e n s i o np u l l e ya r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 f o r c ea n a l y s i so ft h et e n s i o nb e l tp u l l e yi s d o n e f i r s t l y m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i cc a l c u l a t i o n sa r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt of o r c ea n a l y s i so f t h et e n s i o nb e l tp u l l e y r i g i dm e c h a n i c sm o d e li se s t a b l i s h e da n dt h e nt h em o t i o n a n df o r c er e l a t i o n sa m o n gt h ep a r t sa r es t u d i e du n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n t h ek e y f a c t o r sa f f e c t i n ge x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c d a m p i n ga n dw o r k i n gt o r q u e o ft e n s i o nb e l t p u l l e ya r ec o n f i r m e d b e s i d e s i n t e r a c t i o nr e l a t i o n sa m o n gt h ep a r t sa r e f u r t h e r a n a l y z e dm a k i n gu s eo ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h e n a n a l y s i so ft h es p r i n gp a r t so f t e n s i o nb e l tp u l l e yi sd o n ew i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dw o r k i n gp r o c e s so ft h e s p r i n gi ss t i m u l a t e d r e l a t i o n sa m o n gt h ed e s i g np a r a m e t e r s e g p a r ts t r u c t u r e m a t e r i a l a s s e m b l yd i m e n s i o n e t c n o n l i n e a rt o r q u ec u r v e a x i a lf o r c e c o n t a c t s t r e s sa n df r i c t i o na r ea n a l y z e d d e s i g nm e c h a n i s mo ft h ep a r t si sf i n a l l ye s t a b l i s h e d a n dt h et r a d i t i o n a ls p r i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l ai so p t i m i z e d i nc h a p t e r4 k e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h et o r q u ea n dd a m p i n go ft e n s i o nb e l tp u l l e y d u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa r ed i s c u s s e d m a k i n gu s eo ft h es i m i l a r i t yi nf u z z y m a t h e m a t i c s t h ei m p o r t a n c eo ft h e s ef a c t o r s o nt h et o r q u e t h ed a m p i n go ft h e p u l l e yh a v eb e e nf o u n dt h r o u g hd a t aa n a l y z i n g i nc h a p t e r5 t h es o u r c ea n di n f l u e n c ef a c t o r so fd a m p i n gc o e f f i c i e n ta n dt o r q u e l i 上海大学硕士学位论文 a r ef u r t h e ra n a l y z e d d e s i g no p t i m i z a t i o no fs p r i n gc o m p o n e n ti sd o n et h r o u g h s e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sh a v e b e e na p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e m d u r i n gt h ep r o d u c t i o no ft h et e n s i o nb e l tp u l l e ya n di m p r o v et h eq u a l i t y t h e e f f e c t i v e n e s so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ev a l i d a t e dw i t ht h e i m p r o v e m e n to f p r o d u c tq u a l i t y f i n a l l y m a i nr e s e a r c hw o r k so ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e d t h ef u r t h e rr e s e a r c h w o r k ss h o u l db e d o n ea r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d s t e n s i o np u l l e y t o r q u e d a m p i n g s i m i l a r i t y i i i 原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果 参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 蕊刃日期 邀 王搿 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留论文及送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学 校可以公布论文的全部或部分内容 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 耻导师签名 乱日期 邀浏 i i i 1 1 课题来源 目的 第一章绪论 本硕士论文项目针对架型轿车发动机配套的进口自动张紧轮展开理论和吱 骑研究 为该型自动张紧轮的国产化提供设计珲论和技术指导 通过对汽车自 动张紧轮的各部件问的运动分析和受力分析 揭示影响其性能的关键部件和同 隶 该项矸的胜丌可以午 效地填补同内汽车门动张紧轮设计刊t 论的窄闩 项目 由上海振毕轴承总 提供经费及实验支持 12 国内外研究概况 21 汽车自动张紧轮的设计技术背景 也现代汽车发动机中 不仪广泛使用带传动驱动发电机 宅调j k 缔机 风扇 等发动机附件 连需要和曲轴保持严格相位关系的一1 轮轴乜采用带轮传动 如 吲l 1 皮带传动的附仆系统通常安装存发动机的前表面j 每个附件部安装在 轴上的皮带轮 用于接收来自桀形式的j 土带传动的动力 吲卜l 发动机轮乐布置i 划 在h 嗍的系统中 每个附件都由在附件系统和曲轴之间运行的单根皮带驱 动 口由j 一皮带拙术的改进 现在在大多数应用 通常采用单根蛇形皮带 在备 l 海大学砸i 论文 附属部件之间迂回的单根蛇形皮带驱动所述附件 因为蛇形皮带必须迂回到所有 的附件 所以 通常它比以前使用的皮带更长 单根蛇形带的使用使得发动机系 同步置比以前更加紧凑 而且成本也大为节约 效率也高 但同时 蛇形带正常 工作时应具有预定的张力 当运转时 皮带稍稍拉 而超过其长度 这将导致皮 带张力f 降 可能造成皮带打滑 而用单根带传递时 可能会因为单根带的长度 更长而造成更严重的皮带打滑 因此 在皮带工作使用过程中 使用皮带张紧轮 保持适当的皮带张力是必不可少的皮带轮系部什 当皮带张紧轮运转时 运转的皮带抖动可能在张紧弹簧中澈起振动 这些振 动是不希望的 因为它们会导致皮带和张紧轮过早磨损 因此 对张紧轮添加i t 阻尼机构 以抑制运转中产生的振动 为了保持适当的皮带张力避免皮带打滑 补偿皮带磨损和老化后的伸长量 张紧轮是必不可少的部件 现在广泛应用于各种汽车的张紧轮结构和原理是多种 多样 3 i 刚 图卜2 是二种实际张紧轮样图 酗卜2 一种常见张紧轮实样i 鳘l 在实际使用过程中 张紧轮的作用有口 为了保持适当的皮带张紧力避免 皮带打滑 补偿皮带磨损和老化后引起的伸长量 调节和补偿由于轴和定位孔 的 n l 误差引起的发动机系统中心距的偏差 张紧轮在一定程度上可以消除由 于皮带伸长或摆动引起的发动机组运行中的异响 抑制传动系统的振动 而在 发动机实际运行过程中 皮带的预紧力和附件小带轮包角对带的传动能力 寿命 和轴雎力有很大影响 若预紧力不足 小带轮包角小 传递载荷的能力就降低 效率低 且小带轮急剧发热 胶带磨损严重 若预紧力过大 则会使带的寿命降 上海大学硕上学位论文 低 轴和轴承上的载荷增大 引起轴承发热与磨损严重 而且 各种材质的v 型 带不是完全弹性体 在预紧力的作用下 经过一段时间的运行 由于塑性变形 使预紧力降低 导致传动能力下降 引起皮带打滑 剧烈抖动乃至脱落 如果传 递功率大 即负载大 会造成松边更松 上述现象更明显 汽车在运行过程中 发动机本身的振动及在外界作用力的驱使下 发动机与底盘间会产生相应运动和 位移 这种变化同样会造成皮带的抖动乃至脱落 因此 增加张紧轮机构是解决 上述现象的最好方法 6 对于汽车自动张紧轮设计理论研究 主要是集中在如何对张紧轮的阻尼进行 更好控制的研究 根据张紧臂的运动方向 张紧轮阻尼摩擦力是不相等或非对称 的 在加速过程中 在卸载方向上张紧轮的阻尼摩擦力明显低于加载方向上的阻 尼摩擦力 在减速过程中也是如此 加速过程中较低的阻尼摩擦力可以使张紧臂 快速调整 增加由于加速引起的皮带长度 减速过程中较高的阻尼摩擦力可以避 免张紧臂在加载方向上移动得过远而产生打滑和噪音 舯 1 2 2 国外研究概况 现在国外对张紧轮的结构设计及理论研究已经逐渐推向成熟f l o 而在张紧 轮各结构部件中 阻尼机构又是张紧轮结构的设计的重点和难点 1 1 1 当前 围绕张紧轮设计的研究 查阅相关文酬1 2 郴 主要集中在以下一些方 面 1 对张紧轮中各种阻尼机构设计研究 主要的阻尼机构包括 粘性流体阻尼器 基于互相滑动或相互作用的摩擦表 面的机构 以及使用一系列相互作用的弹簧的阻尼器 在大部分情况下 这些阻 尼系统通过阻止皮带在一个方向上的运行而单方向运行 把张紧轮跟随皮带的运 动的这种特性叫做张紧轮 顺应 性 现在一般所设计的张紧轮系统都是按照它 的顺应特性设计的 以便能及时跟随皮带的运动 通常 张紧轮设定为较低的阻 尼度 以利于这种顺应性 结果 在载荷变化时 这种技术方式是不太令人满意 的 靠在皮带上的张紧轮需要在皮带一定的跨度内保持张力 沿皮带运动的方向 张紧轮通常位于曲轴的 下游 张紧轮中阻尼的设置可以使张紧轮抑制皮带上 3 上海大学硕士学位论文 的大部分振动 若在发动机转速快速变化时 由于转动惯量造成的速度下降 就 会出现附件比如交流发电机继续驱动皮带 这使位于曲轴 下游 侧的皮带张紧 加载 在这种情况下 如果张紧轮阻尼度过低 张紧轮将不能阻止皮带张力的增 加 所述臂将沿远离皮带的方向移动 结果 张紧轮不能在皮带中保持足够的张 力 同时又会造成皮带在曲轴皮带轮上滑动 而造成尖叫的噪声 现在还有技术 设计方案是依靠沿加载方向锁定张紧臂的装置 避免皮带张力减小 然而 锁定 张紧臂就会妨碍张紧轮执行抑制皮带振动的配套功能 在美国专利u s 5 4 3 9 4 2 0 中 m e c k s t r o t h 等公开了一种附件传动系统 包括张 紧轮 该张紧轮具有用于控制臂的旋转运动的调节器 所述臂能够在皮带张力增 加的方向上自由转动 且利用调节器阻止了所述臂在皮带张力减少方向上的运 动 在美国专利u s 4 9 5 9 0 4 2 中 t a n a k a 提出布置发动机附件的方法 该方法使最 靠近曲轴皮带轮的附件的转动惯性力最大 这种方法不依靠张紧轮的运行特性 而是依靠基于转动惯量的所述附件的交错顺序的动态特性 另外 国外还有很多这方面的研究 例如 美国专利u s 4 6 9 6 6 6 3 提供了一种 利用扭转弹簧的扭力制动器 这个扭转弹簧同时又可以提供张紧力 j p l 7 1 3 5 9 c n l l 4 4 8 9 2 a 设计了在张紧器和支架之间利用弹簧压迫阻尼元件而 产生阻尼力的机构 起初的技术的系统设计方案是依靠锁定的张紧轮或特定的机 械装置来解决发动机速度变化的问题 两种系统都没有解决在变速过程中避免啸 叫 同时继续抑制发动机皮带振动的双重问题 而且 在起初技术系统的设计方 案中 如 m e c k s t r o t h 提出的方案是复杂而且花费昂贵的情况下 还需要复杂的 机械装置来控制张紧臂的运动 这种结构还需要发动机表面有较大的空间 t a n a k a 的方案没有完全解决速率变化的问题 而是依靠部件的设置 未能解决 减速过程中皮带张紧的各种问题 2 现阶段国外对张紧轮阻尼参数的研究方向 现阶段国外对张紧轮阻尼参数的研究 查阅相关文献 1 9 2 6 1 得知主要是集中 在非对称阻尼张紧轮系统的研究上面 非对称阻尼张紧轮是指一种在加载和卸载 时能为系统提供阻尼比不一样的张紧轮系统 假定非对称张紧轮和普通张紧轮具 4 上海大学硕士学位论文 有同样的张紧力 那么非对称张紧轮比普通张紧轮消耗的能量更大 可以为给定 的皮带传动系统提供更高的阻尼度 在非对称张紧轮和普通张紧轮的运行上有两个主要区别 首先 在张紧轮加 载的半周期内 非对称张紧轮的摩擦力及因此消耗的振动能量明显高于在张紧轮 卸载的半周期内的摩擦力及能量 对于普通张紧轮来说 这些力基本上是相等的 其次 由于张紧轮的偏阻尼功能 皮带传动能量仪在加载的半周期内通过张紧轮 阻尼消耗 张紧轮阻尼在卸载的半周期内仅消耗张紧轮的机械能 而不是皮带或 其他部件的机械能 尤其是 在任何时间 施加在皮带上的力都不能太低 要不就会在部件的皮 带轮上 比如交流发电机或曲轴上出现皮带打滑 通常 在卸载方向上的阻尼摩 擦力不应高于张紧轮弹力的7 0 在普通张紧轮的情况下 因加载和卸载阻尼基 本相等 所以在加载方向上的阻尼摩擦力也是张紧轮弹力的7 0 例如 如果普 通张紧轮的弹性扭矩为1 5 n m 阻尼因子是7 0 则阻尼扭矩在两个方向上都是 1 0 5 n m 如果需要更大的阻尼 必须增加弹力 以保持适当的低端张力 增加 弹簧刚度将会降低皮带的寿命且增加某些部件的负载 另一方面 使用具有相同皮带张力的张紧轮 如果非对称因子为3 则在加 载方向上的摩擦阻尼将是卸载方向上的摩擦阻尼的三倍 结果 张紧轮系统就具 有了明显更高的系统阻尼 且没有增加皮带的张力 因此 与普通张紧轮相比 非对称张紧轮具有两个明显优点 首先 使用等 效的弹簧 可以提供更高的阻尼 或者 对于加载方向上同样的阻尼效果 使用 非对称张紧轮 皮带传动将承受较低的张力 其次 非对称阻尼在控制系统振动 上更加有效 同时明显延长了皮带寿命 以上就是国外的对张紧轮的一些研究情况 同时 国外可能还正在研究开发 一种可以防跳齿的张紧轮或单向张紧轮 这种张紧轮将是面向中小型轿车开发研 制的 1 2 3 国内研究概况 从中国专利检索网上查询有关汽车自动张紧轮方面的专利 发现这方面的专 上海大学硕1 学位论文 利较少 且在国内很难找到很好的有关张紧轮的理论研究方面的资料 对现有国 外的这种非对称张紧轮的更是几乎没有 在2 0 0 6 年清华大学 汽车安全与节能国 家重点实验室 提出了有关张紧轮自身基本参数 扭矩 臂长等 的计算方法 只是涉及了张紧轮保证皮带传递的不打滑和消除中心矩加工误差时 张紧轮的摆 放位置和基本扭矩值的计算等基本方面内容 也没有提出一套完整的张紧轮设计 思路 对张紧轮中阻尼参数的设计确定也没有明确计算方法 对国外现有的非对 称阻尼张紧轮的设计更是没有提及 其它 我们国内还提出过有少量的皮带设计 思路方法 但大部分只是针对皮带打滑 磨损 传递有效性等方面提出的 也没 有张紧轮的设计和优化等方面的内容 现市场上所出售的有关张紧轮据不完全统计 都是通过国外图纸进行模仿加 工出来的 其根本最关键的阻尼问题很难控制 偏大偏小 没有一套统一规定的 标准进行监控 2 7 1 所以 就有必要对某国外公司为某汽车配套的发动机自动张紧 轮进行理论和实验研究 为自动张紧轮的国产化提供理论和技术指导 现国内实际使用的张紧轮在一定程度上都能满足防止皮带打滑和调节系统 中心矩的偏差 这两个基本的张紧轮必要条件 但是张紧轮在消除异响 抑制传 动系统振动方面的作用考虑很少 2 8 2 9 1 在实际中为了使发动机系统在受到脉冲情 况时 不产生共振包括消除弹簧谐振的作用 国内普通张紧轮设计方案基本采用 在张紧力传递途径中设置摩擦副提供摩擦阻尼 结构比较简单 还会给运动副带 来磨损 影响使用寿命 普通摆动式张紧轮采用线性扭转弹簧对皮带施加张紧力 并且设置的止动件限制张紧轮的摆动摆幅 张紧轮的这些特点对于发动机和负载 工况突变时是不利的 往往引起剧烈的皮带跨度振动 限位元件之间的刚性撞击 皮带系统的异响等现象 现有的弹性止动技术不常见 也不能完全实现柔性止动 所以 就有必要对某国外进口张紧轮进行详细研究 其次 从节约国家资源 降低国产汽车零配件的价格 提高企业在国际市场 上的竞争力对其国外进口的自动张紧轮进行理论和实验研究也是很有必要的 据 了解上面用到的这款张紧轮是市面上要卖1 5 0 元左右 而国产的基本上保持在9 0 元左右 其利润也是相当可观的 可见 国内对张紧轮方面的研究确实很少 跟国外现阶段的研究水平还是有 6 上海大学硕士学位论文 一定差距的 希望本课题能在一定程度上拉小国内和国外对张紧轮研究工作的差 距 1 3论文的主要研究内容 本项目针对某型轿车配套的自动张紧轮的工作机理展开理论和实验研究 本项目研究工作内容包括 从几何学 运动学和动力学角度剖析进口产品样件 探明张紧轮各零部件的 功能和设计原理 a 基本力学特性分析 建立张紧轮的刚体力学模型 研究在工作状态下各 零件之间的相互运动和受力关系 确定影响张紧轮外特性 扭转刚度 阻尼和工作扭矩 的主要因素 b 力学模拟和运动仿真 以有限元分析为主要工具 模拟张紧轮的工作过 程 深入剖析各零件相互作用关系 c 扭转弹簧 弹簧座等关键零件设计 在有限元接触分析的基础上 分析 诸设计参数 如零件结构 材料 装配尺寸等 和非线性扭力曲线 轴 向力 应力水平 摩擦力的关系 确立零件设计原理 d 精度分析和精度设计 研究制造和安装误差对张紧轮工作性能的影响 确定零件制造和装配精度要求 针对企业试制的张紧轮样件 应用理论分析和实验结果提出改进方案等指导 性意见 通过以上工作形成该系列产品的设计方法和理论 并能初步考虑发动机 整体运行参数对张紧轮设计的要求 e 提出张紧轮的基本设计公式 用于确定张紧轮的基本结构参数 f 提出减轻零件之间的磨损和提高可靠性的途径 g 提出结构优化设计方法 h 提出精度设计方法 7 辨太学砸 学位沦女 第二章自动张紧轮工作原理及性能指标 本章辛耍对所研究的汽车一动张紧轮的机耶作 较详细的介纠 阐述r 研 究选用张紧轮的丰要结构鄙件 作原理及h 功能 介缁 所研究张紧轮的丰 要性能要求及殴计难点 21 自动张紧轮的主要结构部件及其功能 该项同研究的进u 发动机自动张紧轮 其丰耍构件包括皮带轮 滚动轴承 偏心轮和安装在底板上的芯轴 所述帕皮带轮经滚动轴承套装在偏心轮上 偏 心轮套装扯芯轴上 构成偏心移忙机构 其特征在j j 所述的底板 j 偏心轮之 日 装仃圆柱螺旋弹簧套装在弹簧套座上构成的偏心轮变川度扣转机构 如罔2 l 研究选用的菜款张紧轮 具体构件灶其功能的实施方式洋进如r 吲2l 试验选圳的某款目动张紧轮 上海大学硕士学位论文 a a 上bb 向 图2 2 张紧轮的截面图 此图沿图五的a a 线的截面图图2 3张紧轮的俯视图 参见图2 2 试验选用的某款皮带张紧装置包括皮带轮6 该皮带轮6 经滚 动轴承1 0 安装在偏心轮7 上 轴承1 0 的内圈固定在偏心轮的外圆7 c 偏心轮7 通过轴套3 套在芯轴2 上 轴套3 和偏心轮7 采用过盈配合 而与芯轴2 则采用 间隙配合 轴套3 由摩擦材料制成 摩擦材料可以选用自润滑性和耐磨性较好的 尼龙 轴套也可以选用塑料一青铜一钢板多层复合材料制造 轴套材料不限于上述 材料 芯轴2 的一端2 a 固定在底板1 上 另一端2 b 装有一个盘状件9 盘状件 9 固定在芯轴2 上 防止偏心轮7 脱离芯轴2 盘状件9 和偏心轮7 接触的一面 也附有一层摩擦材料9 a 和偏心轮7 组成一个端面阻尼器 在偏心轮7 和底板i 之间的环形空间里 装有弹簧套座4 和圆柱螺旋弹簧5 弹簧5 的起末圈簧丝沿 径向分别向外伸出引脚 弹簧5 的一端压在弹簧套座4 的凸缘4 a 上 其引脚固 定在底板1 上 另一端在偏心轮7 的底面7 b 其引脚嵌在偏心轮外缘7 a 的凹槽 中 偏心轮7 外缘有一凸块7 d 嵌在底板1 上的开口槽1 d 里 凸块7 d 和开口 槽l d 作为死挡块限制偏心轮7 饶芯轴2 的摆动角度 开口槽1 d 的侧壁1 a 和1 b 分别是偏心轮7 的上下限位 凸块7 d 上有一指针7 e 用于指示皮带轮6 的实际工 作位置 开口槽上也有一个固定的标志1 c 作为静态标准位置供安装时调整之 用 9 上海大学硕士学位论文 2 2张紧轮在发动机上工作原理 本张紧轮是依靠张紧轮底座 如图2 1 上面的三个定位孔来和发动机相连 接固定的 其在发动机上面和各负载及皮带的安装位置关系如图2 5 如上一 节中介绍所讲 其中带轮是安装在底座的销轴上面 也就是如图2 5 中的带轮 可以绕销轴中心摆动 带轮和销轴中心有一定的偏心距 那么带轮在摆动当中 就可以看成摇杆绕中心的摇摆运动 当发动机系统卸载时 那么张紧轮所靠紧 的那段皮带 在拉力差的情况下会变的松弛 即就需要张紧轮在弹簧扭力作用 下沿着销轴中心迅速的逆时针摆动以及时弥补皮带上的张紧力下降 反之 当 曲轴做加载运动时 张紧轮所靠紧的那段皮带会进一步拉紧 这时带轮就需要 沿着销轴中心做顺时针旋转摆动 同时也就把皮带系统的动能转换为弹簧的弹 性能储存在弹簧当中 以便在卸载时使用 张紧装置 参图2 2 图2 3 的张紧力主要取决于弹簧5 的扭力 在本装置 中 弹簧5 和弹簧套座4 组成一种变刚度扭簧 弹簧套座4 的套筒外径略小于弹 簧5 的内径 偏心轮7 向加载方向偏转时 弹簧5 扭紧 扭矩随旋转角度的增大 而线性增加 弹簧5 的内径也随之缩小 当弹簧5 开始缠绕到弹簧套座套筒时 参与扭转变形的弹簧圈数开始减少 弹簧的扭转刚度开始变大 扭转弹簧呈现显 著的非线性 当弹簧5 全部缠绕到弹簧套座4 上时 弹簧5 失去了进一步扭转的 能力 刚度变的很大 在弹簧套座4 的作用下 普通的圆柱螺旋扭簧5 成了一种 变刚度弹簧 其扭矩曲线如图2 4 所示 这种变刚度扭簧的扭矩一转角曲线非常适合于发动机工况 发动机正常工作 时 弹簧5 工作于线性部分 图2 4 中的a b 用于补偿皮带的磨损 抑制小 幅跨度振动 使皮带保持基本恒定的张力 其作用和常规的自动张紧轮一样 当 发动机突然减速或负载突然变化时 皮带由松急剧变紧 弹簧5 进入非线性区域 图2 4 中的b c 迅速提升皮带张力 有利于减轻皮带振动 避免皮带打滑 或脱齿 非线性扭簧还具有柔性的限位效果 即使没有上限位死挡铁l a 由于非线性 扭簧的作用 偏心轮7 摆动幅度不能超越图2 4 中的位置d 假设弹簧不断裂 到达该位置的过程中 扭矩是平滑递增的 不会产生碰到死挡铁时的冲击和异响 1 0 上海大学硕士学位论文 为了保护弹簧 可以在弹簧的非线性最后阶段设置死挡铁 弹簧5 和弹簧套座4 的间隙大小决定扭矩一转角曲线中的线性区域 图2 4 中的a b 增加间隙 线性区域将扩大 弹簧套座4 的套筒部分的形状和结构 影响非线性部分的曲线 篝 图2 4 扭转弹簧的扭矩一转角曲线图2 5 张紧轮和负载及皮带的位置关系 2 3 自动张紧轮主要性能要求及解决方案 针对某国外公司为某汽车配套的发动机自动张紧轮 结合轮系本身的各负 载轮要求 皮带要求及轮系寿命要求等 汽车公司提出了张紧轮的主要性能要 求 1 张紧轮必须通过一定小时台架试验 2 带轮组件必须通过一定小时性能 试验 3 张紧轮必须通过一定小时摆动实验 4 标准位置时的扭矩 阻尼系数 要求在一定范围内 针对这些要求 企业采用了相应的解决方案 针对要求一 的张紧轮台架试验 企业按照发动机正时皮带轮系的平面布置图 采用1 1 的 比例制造模拟发动机正时皮带轮系的台架试验机 如图2 6 选用无级变速电 动机 可调 作为动力 来实现模拟发动机正时轮系的运转 通过试验腔中所 安装的电加热板和热传感器 来确保试验腔内的温度始终保持在设定的范围内 在自动张紧轮轴承表面装有热传感器 通过监控轴承的温度变化情况 来判断 自动张紧轮轴承是否失效 假如自动张紧轮轴承出现失效情况 轴承表面的温 度将会迅速升高 针对要求二的带轮性能试验 企业做了注塑带轮的耐久性试 验 验证注塑带轮的耐磨性能 在耐磨性试验机上对注塑带轮进行耐磨性试验 试验时带轮转速为一定 在相同的试验条件下 通过试验来验证国产件与国外 l 学磺i f 位论 原装件各自的磨损程度 针对要求二的张紧轮摆动试验 企业根据要求丰要验 i j l r 扭转弹簧的寿命 试验时张紧轮带轮转速为一定 通过偏心轮柬使带轮在 工作位置左右3 度摆动 试验时 试验腔温度为1 0 0 c 5o c 图2 4 5 模拟发动机正时皮带轮系的台架试验机图片 但是企业在仿制自动张紧轮生产过程中发现 张紧轮在标准位置时的扭矩 阻尼偏大偏小不稳定 不能满足汽车厂提出的张紧轮性能要求四 在张紧轮设 计中 扭矩 阻尼参数要求在一定范围内 日是设计出的参数和实际样件测出 来的数值相差较远 根据现有公式计算数值误差较大 可见 找到比较准确的 扭矩 阻尼计算公式及汽车厂确定此参数范围的依据是什么 即为本张紧轮国 产化的网难所在 上海大学硕士学位论文 第三章张紧轮的力学分析 本章主要对所研究的张紧轮进行了受力方面的研究 首先 分析了张紧轮 在发动机 测试机上的受力和力学特性计算 其次 对所研究张紧轮中的重要 结构弹簧组件进行有限元分析 模拟了弹簧的工作过程 找出其中的力学规律 对传统弹簧计算公式进行优化 3 1 在发动机上的受力分析 3 1 1 二维静力分析 张紧轮在主平面上的结构参数如图3 1 所示 图中a 点为扭簧工作臂安装 在偏心轮上的位置 以为弹簧安装角 相对于偏心连线 在取偏心轮为研究 对象 偏心轮受到四个力的作用 图3 2 图3 1 几何参数图3 2 张紧轮受力平面图 r 一张紧力 皮带对张紧轮的反力 咫 扭簧弹力 舻一芯轴对偏心轮的反力 矸一芯轴对偏心轮的摩擦力 假设皮带接触点位于标准位置时的偏心连线的垂线上 口为偏离标准位置的转 上海大学硕士学位论文 角 妒为芯轴的接触角 建立偏心轮的静力平衡方程 l ns i n p 夕 r c o s 口 一只c o s 0 p a 一只 0 n c o s o 一夕 s i n 口 气s i n 0 0 a 0 式3 i e 也 v h f t e c o s o 0 解得 接触角 矽 伊 0 万 式3 2 其中 万为摩擦角 t a n8 口 无摩擦时的接触角 t a i l 铷 皇坠址 式3 3 r j 2 c o s 0 以 p c o s 拶 妒 d 寿志s m 卜 销轴的正压力 n f s 芈譬盟 式3 4 l f zc o s q 张紧力 e 一只 c o s 0 o a g 式3 5 图3 3 是根据图纸尺寸 以 6 4 取产0 i 按式3 3 3 5 计算的张紧力 销轴压力及接触位置关于摆角的曲线 有几点需要引起特别注意 1 三层复合材料轴套的径向载荷比较大 接触应力峰值可能会高达 2 比较图有限元扭转弹簧的转矩曲线 图3 3 中的张紧力曲线比较平坦 在张紧轮的全程摆角内 张紧力变化不大 这有利于保持皮带张力的恒定 1 4 上海大学硕士学位论文 fj 一 一 一一 二 一一 一一一 p 一一 i 一 一 1 一一一 偏心轮受的各种力不是作用在同一个平面上 平面受力分析不能全面反映 受力状况 仍以偏心轮为研究对象 建立如图3 4 所示的坐标系x y z 在该坐标 系中 销孔的轴线和z 轴重合 扭簧工作臂起点a 位于x o y 面 当张紧轮处于 标准位置时 皮带轮中心轴在z o x 平面上 假设皮带的作用力f t 位于带轮中点 d f t 始终在y o z 面内 指向 y 方向 销轴和销孔两端边缘两点c l c 2 接触 正压力分别为n l 和n 2 摩擦系数为f oc l c 2 相位由巾l 和巾l 表示 由于静力 平衡 得方程组 上海大学硕士学位论文 图3 4 张紧轮3 d 受力图 r r 一 1 1 f 2s i n9 0 l n 2 1 f 2s i n 仍一瓦c o s o o a 一f t 0 n i 1 厂2c o s 仍 n 2 1 厂2c o sc p 2 忍s i n 0 以 0 危 2 忍吒一f t e c o s 8 0 式3 6 z c l n 4 1 f 2s i n t p t z c 2 2 l 厂2s i n 9 2 一z d c 0 z c i n l 4 1 厂2c o s t p i z c 2 n 2 4 1 厂2c o s 妒2 o 其中 仍2 么 6 仍2 欢 万 万 a r c t a n f 加载时取正号 卸载时去负号 取n i n 2 由1 巾l 和f t 为未知数 这是一个五元非线性方程组 在工作位置 0 0 取摩擦系数f 0 1 z c l 1 9 4 m m z c 2 6 8 5 r a m z d 1 2 8 m m 求解方程组 式3 6 得 办 9 8 1 1 等 5 5 8 1 9 纠垃7 4 等以2 5 6 3 f 上 7 3 3 4 6 销孔上下端的压力比n l n 2 2 4 7 表明样品张紧轮的销孔和销轴的载荷存在比 较严重的偏载 1 6 e 海大 顾十学位论文 32张紧轮在试验机上的受力分析 321 张紧轮在试验机上的测试说明 当张紧轮组件完全装配好以后 就需要在特定的仪器上面测其性能是否满 足客户需要其中上海振华轴承总厂提供了专门的扭矩 阻尼检测仪器 如图3 5 这台操作仪器的工作原理是 检测仪工作台主要由底盘 拨叉 压力传感器和 位置传感器等组成 底盘是固定在工作台上面 底盘上面会根据张紧轮安装在 发动机上面安装方式不同 将来会在底盘上面预留相应安装孔用于把张紧轮固 定在底盘上面 拨叉是用来拨动张紧轮偏心轮7 外缘的 块7 d 参照图22 2 3 拨动凸块7 d 会使带轮在张紧轮的工作范围内运动 可以检测张紧轮在工 作范围内的扭矩 阻尼等情况 在拨又上面还安装了压力传感器 用来检测张 紧轮在不同的工作位置时需要驱动力的大小 在拨叉上面同时也安装了角位移 传感器 它用来测量张紧轮的工作位置 试验机把数据测量好后 就会根据程 序算出相应的扭矩和阻尼 并绘制扭矩和阻尼曲线 将在仪器操作界面中呈现 h 柬 32 2 受力分析 削3 5 张紧轮扭矩 阻尼检舢仪及操作抖向 张紧轮在试验机上的受力和实际工作时的状况有所不同 试验时拨叉拨动 张紧轮指针 使其转动 建立如图3 6 所示的牮标系 使弹簧力风垂直向上 记 f d 驱动力 上海大学硕士学位论文 f s 弹簧力 n 一销轴对销孔的正压力 f 厂销轴对销孔的摩擦力 卜销轴对销孔之间的摩擦系数 q 一接触角 n 与 x 轴的夹角 1 3 f d 与 y 轴的夹角 图3 6 张紧轮在试验机上的受力平面图 加载时的静力平衡方程 lf d r 4 一只r 2 一屏 1 0 局s i n 一n c o s a 屏s i n a 0 乓一局e o s p n s i n 口一日c o s a 0 卸载时的静力平衡方程 i 一只吃 耳r l 0 s i n 8 一n c o s a f rs i n 口 0 只一只c o s f l n s i n a f fc o s a 0 f f 秘 令万 a r c t a n f 正转时取正号 反转时取负号 则可解得接触角 其中 a 铂一一i n 吃s i n 6 c o s a 0 卜 式3 7 a 式3 8 上海大学硕士学位论文 口 无摩擦时的接触角 t a n 嘞 面r 4一i c o 万s f l 销轴对销孔的正压力 只下专 生一 l f c o s a 6 一 驱动力 蜀 e 端 驱动扭矩 乃 l 端詈 阻尼比 f 盈二圣 3 2 3 算例分析 式3 9 式3 一1 0 用上述公式计算的测量扭矩及阻尼比关于摆角关系中 算例中 取弹簧参 数 n o 2 8 7 5 圈 开口角度4 5 中径d 2 0 3 5 2 m m 簧丝直径d 2 3 m m 芯 轴直径d l 2 8 5 m m 弹簧座固定 取偏心轮参数 偏心距e 4 m m 销孔半径 r l 9 m m 弹簧作用半径r 2 2 1 5 r a m 驱动力方向f l 7 0 驱动力臂心 1 8 8 m m 取销轴销孔之间的摩擦系数f o 1 弹簧弹簧座之间的摩擦系数 居 o 1 当驱动 力在标准位置方向偏离l 时 所计算的扭矩值 阻尼比大约会相差1 0 左右 在实际测试时 一些安装因素如拨叉的作用位置和方向影响测量结果 若 保持拨叉位置不变 将方向角增加l 即夕 7 1 相应的力臂r 4 1 9 9 m m 则测得的驱动力矩约降低1 0 阻尼比降低1 6 若保持拨叉作用力的方向不 变 改变拨叉作用力的位置 其在标准位置和最里面位置时 扭矩也相差大约 1 0 左右 图3 7 给出销轴和弹簧摩擦系数对阻尼比的影响程度 在本算例中 销轴 销孔之间的摩擦系数每增加o 0 1 阻尼比约增加o 5 在弹簧座固定的情况下 弹簧和弹簧座的摩擦系数每增加o 0 l 阻尼比则增加0 7 但如果弹簧座自由 1 9 上海大学硕士学位论文 浮动 则弹簧和弹簧座的摩擦系数对阻尼比没有影响 一 一 一 弹簧摩擦系数 一一 一一 一一 一0 2 一 i 一 一 一 一一 亡 一一 0 1 5 一 一一 d 肯 一 一一 一 一 一 一一 0 1 一一 一一 i 一 0 0 5 7 一 一一 一一 一 0 一 学 销轴摩擦系数 图3 7 销轴和弹簧摩擦系数对阻尼比的影响 3 3扭簧分析和计算 扭簧组件是张紧轮的核心器件 而且零件之间的力学关系比较复杂 现有 的计算公式误差比较大 不能满足工程设计要求 3 5 我们先对弹簧组件进行有 限元分析 模拟弹簧的工作过程 找出其中的力学规律 再推导适用于这一类 张紧轮弹簧设计的计算公式 3 3 1 扭簧组件的有限元分析 3 3 1 1有限元分析模型 单独研究弹簧变形是没有意义的 张紧轮弹簧的变形受到了多个零件的制 约 它表现出的力学行为是相关零件共同作用的结果 这些相关零件构成了 弹 簧组件 为了便于讨论 弹簧组件由四个零件组成 扭簧 芯轴 上弹簧座和 下弹簧座 其中芯轴是弹簧的最小径向边界 上下弹簧座是弹簧的最大轴向边 界 为了提高分析效率 我们在a n s y sv i o 0 中建立弹簧组件的接触分析模型 2 0 上海大学硕士学位论文 时 作了一些简化和技术处理 列举如下 弹簧的首末1 2 圈为平圈 忽略工作臂 其余各圈均等节距 弹簧用3 d 梁单元b e a m 4 离散 芯轴为圆柱面 刚体 簧丝和芯轴构成点对面的接触关系 用c o n t a l 7 5 和t a r g e l 7 0 接触单元模拟 上下两个端面的弹簧座 实际上是偏心轮下端面和尼龙弹簧座 为平面 刚体 弹簧的第一圈和最后一圈和端面弹簧座有接触关系 用c o n t a l7 5 和t a r g e l 7 0 接触单元模拟 弹簧各圈之间没有干涉 初始弹簧轴线和芯轴同心 芯轴和下弹簧座固定 上弹簧座仪保留轴向位移自由度 使弹簧压缩 3 3 1 2 分析过程和结果 加载分两大步进行 1 上弹簧座向下平移 压缩弹簧到工作高度 2 对弹簧首端施加角位移 扭转弹簧 分别考虑以下几种情形 忽略 计入弹簧和弹簧座之间的摩擦 弹簧末端完全固定 部分约束 部分分析结果见图3 8 一图3 1 4 2 l 2 蛳 2 2 5 0 2 0 1 7 5 0 堇 兰 裂1 咖 7 5 0 0 0 2 o l l 毒 一r 一 l 篡 纛睦 一一 专二j l 时 仅隈制周向位移i 一 p j 一 一 劳一 聋篡 解i r r r r r r 一 十一一 i 一一 z 口掣 匕 岳笋 未岳辛 9 一 弹簧 簧丝由2 3 有效圈数2 9 0 4 圈 中径巾3 5 自由高度1 5 m m 弹簧座 内高 9 1 5 m m 芯轴由2 8 5 摩擦系数0 弹簧末端两种约束 完全同定和周向位移固定 图3 8f e a 算例一 1 t 囊d 3 0 1 2 0 1 0