论文研究-发动机张紧装置有限元仿真模型的简化研究 .pdf

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发动机张紧装置有限元仿真模型的简化研究,胡玉梅,李昌龙,为了正确仿真出某发动机前端附件轮系张紧装置的刚度和阻尼特性,研究了莫张紧装置的工作原理,基于结构理论分析推导出简化模型的
山国武技记文在 式中 摇臂臂长、扭簧中径 表张紧装置的结构参数 衬套直径 摩擦片外径 摩擦片内径 扭簧中径 夹角 初始转角 臂长 在上式的平衡方程中带入文献提供的该张紧器的结构参数如衣所示可最终得出 未知参数和0之间的关系如下: +e +8 + 式表明和θ之间的关系受到参数 的影响若以理论分析指导整体实体 建模张紧装萓就必縝建立本身尺寸精确且装配体与实伓完全相冋的有限元模型以得到唯 准确的参数值 这是很难做到的。在计算机仿真过程中,需要基于已经建立的 张紧装置模型进行微调,即调整 、值使得仿真的转角扭矩曲线最终与实验由线 吻合。事实上,如果按照张紧装置实体结构进行完整的有限元建模,还需要对张紧装置进行 初始装配,过程如图所示:首先压缩弹簧,然后扭转使卡扣和卡槽卡紧,完成安装后,才 能在外载荷作用下进行扭矩扭角分析,同时进行参数微调。为了保证参数微调的有效性, 必须清楚的知道各个参数之间的相互关系,才能以正确的方向来调节未知参数。而事实上由 于参数较多且各参数间的耦合景响,使得理论公式对仿真工作的指导意义甚微 同时,在张紧装置的初始安装中(如图所示的压缩和扭转过稈),对张紧装置的各个 部分施加的边界条件和时效约東条件非常复杂,亦不利于整个轮系瞬态动力学分析的进行。 (1) (2) (3) (4) 图原始张紧装置的仿真过程 此外,在张紧装置的仿真验证中,由于张紧装置模型复杂,网格尺寸小,导致有限元馍 型网格数据较大,最终使得计算时间周期较长。而在后期将张紧装置模型应用于 轮 系的仿真研究中,网格尺小更小,网格数量更多,所花费的计算时间也公更长。 山国武技记文在 因此,张紧装置模型参数调试困难、边界约束复杂、且计算效率低卜,使得张紧装置的 仿真工作难以进行,有必要对其进行简化研究。 张紧装置的数学模型简化 基于上述三点原因,对张紧装貿进行模型的理论简化分析。取式()加载过程的方程 式来分析: +0 6 0 这是关于b的一元二阶隐式方程,由此定义新函数 +日 +0 由此,分别求取函数关于和日的偏导数 6+ +6 +6 6+ × +0 其中,根据文猷提供的未知参数 0、的经验值可知,由于减号后式子相 对减号前的数值很小,可以忽略不计,因此有: 6≈ 根据隐函数求导公式可知,外载荷关于扭转角度O的导数为: () 由上式可以看出,关于θ的导数为一个常数,因此可以表示为0的线性函数如下: 其中表示两个常数值的摩擦力矩 的和,因此可将两个常值摩擦力矩 简化为一个摩擦力矩,用表示,考虑到张紧装置的初始转角β,将整体的扭转角度 扭矩的关系简化如下 + 在 中编程计算式(),调试得出一组数值如下表所示,使得简化的扭矩 转角曲线与实验数据吻合良好,如图所示。依据简化理论分析调试出的表的参数值可 用」指导实体有限元模型的简化 山国武技记文在 表理论简化调试参数值 扭簣刚度 正压力 摩擦系数 theory-load theory-un oad experiment angle 图坦论及实验的转角扭矩曲线对比 张紧装置的有限元模型简化 根据理论分析,将张紧轮的有限元模型进行以下简化,如图所示 埘除底座、衬套、压片、并将摇臂进行结构简化 将实体扭簧以 材料库中的号扭簧单元代替: o将衬套和摇臂间旳摩擦力矩整合到摩擦片和摇臂间的摩擦力矩上 周节简化摇臂的密度,保证简化前后整体的重量不变 底座衬食扭簧摇臂 摩擦片压片 张紧轮 扭簧单元 图张紧装置冇限元模型简化示意图 同时对简化模型进行边界约束,给摩擦片施加正压力载荷,设置摩擦片和摇臂间的接 触系数,定义扭簣的扛转刚度,以及外载荷,如图所示。按照上节对理论简化模型 的分析结果(表),定义有限元模型中的各个参数,并进行外载荷下的仿真分析。 山国武技记文在 图整体模型简化及边界条件 理论简化数学模型式()可用来指导有限元简化模型(图右)的参数设定,但由于 有限元建模误差存在,使得理论参数(表)带入后仿真结果并不能很好地吻合实验数据, 因此需要对其进行微调。有限元简化模型的优势在于,由于扭箦与摩擦片之间没有了接触, 消除了二者之间的相互耦合的影响,方便刚度与阻尼系数间的独立调试,因此对于刚度的调 节只需修改扭簧单元的刚度定义曲线即可,对于阻尼的修改则只需要调节阻尼系数:同时由 」两个歴擦副整合到一个墜擦副里,对丁阻尼的调节只需要调整孳擦片和摇臂之冋的摩擦系 数即可,使得最终的参数调试简单快捷。最终得岀·组仿真调节参数值如衣所示,使 得仿頁数据与实验数据吻合良好(如图所示)。 表有限元简化模型调试参数值 扭簣刚度 正压力 歴擦系数 experiment simulation 40 EoE 20 40 ange/° 图仿真及实验的转角扭矩曲线对比 简化模型不仅能简便快捷地调试岀使仿真曲线与实验曲线吻合的调试参数值,在模型计 算时间上也取得了显著的改善,大大提升了计算效率,如表所示; 山国武技记文在 表简化前后模型大小及计算时间对比 简化前 简化后 网格数量 个 计算时间 小时分钟 小时分钟 结论 )通过对张紧装置的实体整体模型有限元建模,分析其建模难点,然后结合张紧装 置的结构理论分析,得出其数学简化模型(式()) )基于数学简化模型进行了张紧装置的有限元模型简化,使得有限元简化模型的参 数调试简便快捷,仿真结果与实验数据吻合良好; ()简化模型网格数量减少,大大缩短了计算时间,将提升在后续应用于 系 统动态仿真时的计算效率,缩短计算时间 参考文献 胡见汽车发动机前端附件驱动系统自动张紧器的设计及优化华南理工大学 田力刘红宇厝明具有多阻尼的自动张紧装置:中国 田丿汽车自动张紧装置设计理论及优化上海上海人学 刘红宇邵玉佳李宝福王文变刚度自动皮带张紧装置中国 张登明发动机附件轮系张紧装置分析重庆人学 胡见汽车发动机前端附件驱动轮系自动张紧器的设计及优化华南理工人学 张登明,一和自动张紧装置阻尼系数影响因素的研究汽车工程

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