刘俊杰 渠娜

摘要：减振皮带轮螺栓是发动机重要紧固件之一。 本文结合其设计开发、试验验证以及车辆搭载匹配过程以及售后市场的问题反馈，探究减振皮带轮螺栓匹配设计过程中容易被忽视的方面，为减振皮带轮螺栓乃至曲轴系连接件设计方法做一些有益的探讨。

关键词：减振皮带轮螺栓;扭矩冲击;计算方法

1  减振皮带轮螺栓功能

在过去，已量产发动机产品中，因减振皮带轮螺栓故障造成的损失较为重大。深入研究分析问题产生的原理，寻找其根源，有助于未来发动机产品发展，同时也有助于实现低成本设计开发，带来较好的经济及社会价值。

减振皮带轮螺栓通常连接正时系统和前端附件驱动轮系以及其他驱动系统（例如平衡轴系统）提供驱动，与油封配合密封（见图1）。

如图1所示，常见结构由曲轴小头端、正时链轮（正时系统）、连接套（提供油封安装面）、皮带轮（前端附件驱动轮系）、连接螺栓等组成。

2  减振皮带轮螺栓要求

如图2所示，借助“结构框图”对曲轴系前端系统进行详细分析，连接件设计为曲轴系前端设计重点，正时系统驱动、前端附件驱动轮系、密封系统要求不做深入讨论。

与发动机总成同寿命：无故障通过发动机台架可靠性试验;

整车搭载可靠性要求：通过整车400循环动力总成耐久试验。

3  设计计算方法

减振皮带轮螺栓设计计算及分析评价方法：

3.1 原理

①曲轴系前端系统各零部件由皮带轮螺栓拧紧产生的压紧力通过摩擦传递扭矩，由于曲轴系扭振以及其驱动部件的作用，需要逐个校核计算各摩擦面设计;

②曲轴扭振对连接件产生冲击，冲击力矩的大小与连接件处的扭振振幅和惯量相关。扭振扭矩计算可输入零部件数模、相关参数以及发动机爆压曲线，借助CAE分析计算输出;

③识别分析连接部件需求，计算摩擦面积以及力矩需求;

④正时链轮等连接部件的传递力矩与传动的零部件数量有关，可以通过齿轮传动原理计算得到，也可以由试验测试得出。皮带轮的传递力矩通常按消耗功率计算;

⑤除上述之外，考虑搭载整车使用工况以及动力总成的附加影响等。

3.2 计算步骤

以某型发动机具体参数为例：

①计算各轮摩擦传递的最大力矩：即各齿轮附件载荷最大值;如表1中第4项（正时系统最大驱动力矩）。

②计算曲轴皮带轮传递的最大力矩：即曲轴皮带轮附件载荷最大值;如表1中第1-3项。

③扭振力矩。根据CAE分析结果得出。如表1中第5项。

④摩擦面的需求总力矩。即以上三项之和，用Tmax表示。

⑤压紧摩擦面的平均作用半径：

⑥传递力矩：

⑦皮带轮螺栓拧紧安全系数：

其中：Tf——螺栓紧固力矩;

μ——各接触面间的摩擦系数，一般钢-钢取0.15，钢-铁取0.2;

Fb——螺栓的轴力;

R和r——接触面的最大和最小半径;

S——螺栓安全系数;

3.3 皮带轮螺栓连接安全系數标准

柴油机≥1.1，汽油机≥1.2。

3.4 实际工况

上述常规设计计算方法仅考虑了发动机正常运转工况，整车实际使用过程中，仍有一些情况需要补充。例如：搭载双质量飞轮系统产生的动力总成轴系共振（一般发生在驾驶过程发动机低于许可转速时）。以下针对该工况进行分析。

①搭载双质量飞轮、手动变速器的整车，动力总成轴系共振转速为300-500，发生工况：启动，停机以及档位选择错误。计算方法：

1）测试动力总成轴系共振时的最大角加速度;

2）计算曲轴系前端轮系惯量;

3）计算曲轴系前端冲击扭矩;

4）附件驱动轮系冲击扭矩：轴系共振情况下，附件驱动皮带打滑，冲击力矩为附件皮带张紧力与作用半径的乘积;

5）计算安全系数，要求该工况安全系数≥1.2。

例：通过双质量飞轮冲击扭矩试验测得某发动机轴系共振最大角加速度为14688;

减震皮带轮惯量0.0099;

摩擦面冲击扭矩为145.4NM;

附件驱动轮系的力矩800×0.079（发电机皮带）+400×0.0735（空调压缩机皮带）=92.6NM;

该工况下螺栓拧紧安全系数：总力矩238NM。

②发动机前端结构设计不同，扭振扭矩造成的影响不同，常规计算方法中，扭振扭矩作为固定值计算，其结果偏差较大。

1）扭振扭矩产生的影响为两方面：一为零部件自身惯量与扭转振幅产生惯性扭矩;二为扭转振幅在齿轮上形成的扭矩冲击，该部分与扭振振幅和轮系惯量相关。采用皮带传动和链传动系统，其扭转振幅形成的扭矩冲击区别较大，皮带系统弹性大，能够减缓甚至消除冲击。

2）借助正时系统功能试验数据，修正计算结果：正时系统最大受力可以通过测试得出，依据其测试结果修正计算。

综上，在详细分析计算时，可以在推荐的安全系数基础上，根据曲轴前端实际结构，结合试验测试数据评估螺栓拧紧安全系数。

参考文献：

[1]杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社，1981.

[2]17-1. Mitschke， M. 1995. Dynamik der Kraftfahrzeuge， Band A， Antrieb und Bremsung. Berlin/Heidelberg/New York： Springer.

[3]Internal Combustion Engine Handbook .SAE.2016.Edited by Richard van Basshuysen and Fred Sch？fer Translated by TechTrans.

[4]VDI： Systematic calculation of highly stressed bolted joints. VDI Guideline 2230， 2002.