平衡轴总成连接螺栓预紧力的计算分析与验证

1平衡轴总成简介
本文所介绍的平衡轴总成，是为某四缸发动机 开发,用于平衡活塞往复运动所引起的二阶惯性力。 平衡轴和齿轮装配在壳体内。壳体分为上壳体和下 壳体，两壳体以螺栓连接，见图1。同时，平衡轴总 成上壳体与发动机缸体亦用螺栓连接。
图1平衡轴总成壳体装配图
・32 •
2螺栓预紧力计算
平衡轴工作载荷沿螺栓轴向的,称为轴向工作 载荷;沿螺栓径向的，称为径向工作载荷。 2.1平衡轴轴向工作载荷
2.2平衡轴径向工作载荷 平衡轴径向工作载荷Fwr按式(3)计算。
F””=G+F,
(3)
式中:F”为斜齿轮啮合轴向载荷，方向与螺栓径向
相同。
2.3 螺栓预紧力 平衡轴上、下壳体之间的接触对、上壳体与发动
机缸体之间的接触对的离空由平衡轴轴向工作载荷
决定，平衡轴上、下壳体之间的接触对、上壳体与发
动机缸体之间的接触对的滑移则由平衡轴径向工作
之间的接触状态，即确认是否发生离空或是否发生较大的滑移。将平衡轴总成装配到发动机上，并随发动机在台架
上进行耐久试验,并对试验结果进行评判。
关键词：螺栓 预紧力 平衡轴 有限元
中图分类号:TH122
文献标识码:A
文章编号= 1002-6886 (2020) 02-0032-04
Calculation and verification of preload of assembly connection bolts of balance shaft
载荷决定。螺栓预紧力F按式(4)计算：
式中:C,为螺栓刚度；Cc为被连接件刚度;F”为剩余
预紧力，由下式确定：
几5仏，黑
⑸
式中J为剩余预紧力系数也为可靠性系数; “为被 连接件之间的摩擦系数;"为接触对数量。
3建立有限元模型与分析验证
有限元模型包含部分发动机缸体和平衡轴总成 的上壳体、下壳体及连接螺栓。平衡轴总成的壳体 相对发动机缸体，长度、宽度和高度尺寸均较小。为 控制有限元网格数量,截取发动机缸体的一部分进
Байду номын сангаас
0引言
平衡轴总成工作载荷复杂,既有平衡轴配重产 生的离心载荷，又有齿轮啮合产生的啮合力，同时又 存在发动机和整车传递过来的激励载荷等。为保证 平衡轴总成壳体在复杂载荷作用下能够正常工作, 螺栓预紧力的大小非常关键。若螺栓预紧力不足, 平衡轴上、下壳体之间的接触对或平衡轴壳体与发 动机缸体之间的接触对会出现离空或滑移的问题, 最终螺栓松脱、平衡轴相关部件脱落并损坏曲轴等 旋转部件。相关文献对平衡轴的工作原理和分析计 算研究的较多,但对平衡轴总成连接螺栓预紧 力研究的较少,故本文探讨相关计算方法,并用有限 元模型进行分析验证，最后用台架耐久试验验证螺 栓预紧力效果。
黑计;研彗密.| 2020 Jf■第2期
Design ^Research&Anafysis ■
行分析。截取建议是,平衡轴壳体边界外扩M 50 mmo截取后，在发动机缸体上形成的面为截取面。
有限元计算的步骤依次为前处理、求解及后处
理。前处理软件建议采用HYPERMESH或ANSA, 求解和后处理软件建议采用ABAQUS或ADINA软 件。
平衡轴轴向工作载荷Fwa按下式计算。
心=几+竹”+化
(1)
式中:F“为斜齿轮啮合径向载荷，方向与螺栓轴向
相同;F,为来自发动机和整车的激励载荷，按照
GMW14116的28工况表确定;Fc为平衡轴离心载
荷,由下式确定：
Fc - mra)2
(2)
式中：m为平衡轴质量；r为平衡轴质心到平衡轴旋
转中心线的距离;a为平衡轴旋转角速度。
SONG Shusen, WANG Guangliang, JIN Wenbo, WEI wei, XIE Songsong, YANG Lianbo
Abstract: Based on the working loads of the balance shaft, we calculated the preload of the assembly connection bolts of the balance shaft. Then we built the finite element model and applied the preload to the bolts. We applied the working loads of the balance shaft to the bearing pedestal of the balance shaft assembly shells, and analyzed the contact status, including the open or large slipping of the shells. Finally we assembled the balance shaft assembly to the engine and tested its durability on the test bench, then judged the test results. Keywords: bolt, preload, balance shaft, finite element
3.2接触设置 在平衡轴总成中,涉及到的接触对如下： 1) 上壳体与下壳体之间接触对; 2) 上壳体与发动机缸体之间接触对； 3) 螺栓法兰与下壳体之间接触对； 4) 螺栓法兰与上壳体之间接触对； 5) 螺栓外螺纹与上壳体内螺纹之间接触对； 6) 螺栓外螺纹与发动机缸体内螺纹之间接触
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平衡轴总成连接螺栓预紧力的计算分析与验证
宋树森，王光良,靳文波，韦炜，谢嵩松,杨连波
(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007)
摘要:根据平衡轴工作载荷，计算出平衡轴总成壳体连接螺栓的预紧力。建立平衡轴总成壳体和连接螺栓的有限
元模型，在螺栓上施加上述计算的预紧力。在平衡轴总成壳体轴承座处施加平衡轴工作载荷，分析平衡轴总成壳体
3.1有限元网格划分 有限元单元建议采用二阶四面体或六面体，单
元平均尺寸2 mm,最小尺寸1 mm,最大尺寸4 mmo 并按表1检査网格单元质量。
表1
有限元网格质量检查标准
最小长度最大长度四面体最四面体最
长宽比偏斜率雅可比
/ mm
/mm 小角度/。大角度
W5 乡 0.4 M0.7
Ml
W4
>20
W120