CN113987668A - 一种汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，包括以下步骤：采集整车道路试验时水泵皮带轮的转速及水泵皮带力数据；将采集的水泵皮带轮的转速及皮带力归并为若干个特定转速，记录每个特定转速的转数及对应的皮带力；采用有限元方法计算在每个特定转速下水泵皮带轮旋转一周的应力；计算水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤；计算水泵皮带轮在每个特定转速下产生的损伤；计算整车道路试验水泵皮带轮产生的总损伤；设定单体试验的皮带力；采用有限元方法计算单体试验时水泵皮带轮旋转一周产生的损伤；设定单体试验时水泵皮带轮的转速；计算得到水泵皮带轮单体试验的试验时间。本发明能得到准确的单体试验的转速、皮带力和试验时间。
Description
技术领域
本发明涉及汽车，具体涉及一种汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法。
背景技术
水泵皮带轮是汽车发动机前端附件轮系中的一个重要零部件，通常由发动机曲轴通过皮带驱动，从而带动水泵的运转，保证发动机的热管理系统正常工作。
目前，水泵皮带轮的单体试验一般采用图1方式进行，即采用电机直接驱动水泵皮带轮，通过控制水泵皮带轮转速、皮带力、运行时间等试验参数来测试水泵皮带轮的疲劳性能是否满足要求。但试验参数通常依据工程师经验确定，不能准确反映水泵皮带轮的疲劳性能，容易导致水泵皮带轮在整车上试验时失效。
发明内容
本发明的目的是提出一种汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，以减轻或消除至少一个上述的技术问题。
本发明所述的一种汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，包括以下步骤：
S101，采集整车道路试验时水泵皮带轮的转速及水泵皮带力数据；
S102,采用雨流法，将S101中采集的水泵皮带轮的转速及皮带力归并为若干个特定转速，记录每个特定转速的转数及对应的皮带力；
S103,采用有限元方法计算在每个特定转速下水泵皮带轮旋转一周的应力；
S104,根据S103的应力计算结果，计算水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤；
S105,S102中的每个特定转速的转数乘以S104中的水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤，得到水泵皮带轮在每个特定转速下产生的损伤；
S106,累加步骤S105中每个特定转速下产生的损伤，得到整车道路试验水泵皮带轮产生的总损伤D；
S201,设定单体试验的皮带力；
S202,采用有限元方法计算单体试验时水泵皮带轮旋转一周产生的损伤d；
S301,设定单体试验时水泵皮带轮的转速s；
S401,计算得到水泵皮带轮单体试验的试验时间t，
进一步，所述S103具体为：首先运用有限元软件建立分析模型，分析模型包括水泵皮带轮三维模型网格划分、材料参数设置、边界条件设置及最大皮带力施加，再采用有限元软件计算，得到水泵皮带轮旋转一周的应力云图。
进一步，所述S104具体为：根据步骤S103得到的水泵皮带轮旋转一周的应力云图，利用疲劳分析软件计算得到水泵皮带轮旋转一周的损伤。
进一步，所述S102中,所述特定转速包括与发动机怠速对应的水泵皮带轮转速、至少一个与发动机低速对应的水泵皮带轮转速、至少一个与发动机中速对应的水泵皮带轮转速以及至少一个与发动机高速对应的水泵皮带轮转速，发动机低速小于2000转每分钟，发动机中速不小于2000转每分钟且不大于4000转每分钟，发动机高速大于4000转每分钟。
本发明可以得到准确的单体试验的转速、皮带力和试验时间，有效地避免试验检测不充分或试验标准过严，有利于准确反映水泵皮带轮的疲劳性能。
附图说明
图1为实施例中所述的单体试验布置示意图；
图2为实施例中所述的汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法的流程图；
图3为实施例试验参数设定示例表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图2中所示的汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，该方法包含S101至S106、S201至S202、S301以及S401。
S101，采集整车道路试验时水泵皮带轮的转速及水泵皮带力数据；
在实施时，以上两种数据直接测得比较困难，通常通过测试其他数据换算得到。具体地，对于水泵皮带轮转速，可以通过测试得到的发动机曲轴转速乘以转动比求得，如图3所示，水泵带轮转速等于发动机曲轴转速乘以传动比二。对于水泵皮带的皮带力，首先需要测试前端附件轮系中惰轮的受力，然后根据轮系动力学分析间接计算得到水泵皮带的皮带力。
S102,采用雨流法，将S101中采集的水泵皮带轮的转速及皮带力归并为若干个特定转速，记录每个特定转速的转数及对应的皮带力；
在步骤S101中采集的数据一般为不规则的，随机的转速-时间数据，力-时间数据，其不便于分析利用；在实施时，根据Miner理论采用雨流法将步骤S101中采集的数据等效转换为若干个特定的恒定转速下时间历程数据；为兼顾效率与精度，特定转速包括与发动机怠速对应的水泵皮带轮转速、至少一个与发动机低速对应的水泵皮带轮转速、至少一个与发动机中速对应的水泵皮带轮转速以及至少一个与发动机高速对应的水泵皮带轮转速，发动机低速小于2000转每分钟，发动机中速不小于2000转每分钟且不大于4000转每分钟，发动机高速大于4000转每分钟；如图3所示，在本实施例中，选定8个特定转速，8个特定转速分别与怠速、低速、中速1、中速2、中速3、中速4、高速1和高速2对应。记录8个特定转速，以及对应的水泵皮带轮转数和最大皮带力,最大皮带力是在每个特定转速对应的多个皮带力中选取的最大值。
S103,采用有限元方法计算在每个特定转速下水泵皮带轮旋转一周的应力；
具体为：首先运用有限元软件建立分析模型，分析模型包括水泵皮带轮三维模型网格划分、水泵皮带轮的材料参数设置、水泵皮带轮的边界条件设置及最大皮带力施加，再采用有限元软件计算，得到水泵皮带轮旋转一周的应力云图，有限元软件可以选用Abaqus软件。理想状态下需计算水泵皮带轮旋转一周的应力云图，在实际实施时一般在一周范围内均匀地选择若干角度进行计算；理论上，计算角度越多，计算精度越高，但实际实施时通常根据计算条件及时间选取有限计算角度，本实施例选择以下16个计算角度：0度、22.5度、45度、67.5度、90度、112.5度、135度、157.5度、180度、202.5度、225度、247.5度、270度、292.5度、315度、337.5度。
S104,根据S103的应力计算结果，计算水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤；
利用步骤S103得到的水泵皮带轮旋转一周的应力云图，即可以得到水泵皮带轮旋转一周时，水泵皮带轮各处应力的变化规律，然后即可利用疲劳分析软件计算得到水泵皮带轮旋转一周的损伤，疲劳分析软件可以选用femfat软件；具体的，在疲劳计算软件中导入步骤S103得到的水泵皮带轮旋转一周的应力结果，输入水泵皮带轮材料的疲劳性能参数，设置尺寸影响因子、表面粗糙度因子、存活率因子。利用疲劳软件计算即可得到水泵皮带轮旋转一周的损伤。如图3所示，本实施例计算了8个特定转速下水泵皮带轮旋转一周的损伤。
S105,S102中的每个特定转速的转数乘以S104中的水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤，得到水泵皮带轮在每个特定转速下产生的损伤，如图3所示，在本实施例中，8个特定转速下产生的损伤为总损伤列中与8个水泵带轮转速一一对应的数值。
S106,累加步骤S105中每个特定转速下产生的损伤，得到整车道路试验水泵皮带轮产生的总损伤D；如图3所示，总损伤D为总损伤列中的第一个数值4.572298。
S201,设定单体试验的皮带力；
通常该皮带力根据单体试验采用的驱动电机及皮带性能确定；皮带力小，所需试验时间变长；皮带力大，皮带可能断裂或电机无法提供；图3中，本实施例预设两个皮带力，分别为2200N与3000N。
S202,采用有限元方法计算单体试验时水泵皮带轮旋转一周产生的损伤d；
具体地，S202中的处损伤计算方法可以参考步骤S103和步骤S104；首先计算旋转一周的应力结果，然后利用疲劳软件计算旋转一周产生的损伤。计算结果如图3中单体试验区域的旋转一周损伤列所示。
S301,设定单体试验时水泵皮带轮的转速s；
通常该转速根据单体试验采用的驱动电机性能确定。如图3所示，本实施例设置水泵皮带轮转速12000转每分钟。
S401,计算得到水泵皮带轮单体试验的试验时间t，其中，
具体地，运用道路试验总损伤与单体试验总损伤相等原则，用步骤S106中得到的水泵皮带轮道路试验总损伤D除以步骤S202中得到的单体试验时水泵皮带轮旋转一周产生的损伤d与步骤S301中设定的单体试验时水泵皮带轮的转速s之积，即可得到单体试验时间。如图3所示，在本实施例中，单体试验的皮带力为2200N时，试验时间需要大约353小时；当皮带力达到3000N时，试验时间需要大约23.5小时。
如图1所示，在得到单体试验的转速、皮带力和试验时间后，便可布置电机皮带轮1、水泵皮带轮2和驱动皮带3来进行单体试验，其中电机皮带轮1可以由电机来驱动。
Claims (4)
1.一种汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，采集整车道路试验时水泵皮带轮的转速及水泵皮带力数据；
S102,采用雨流法，将S101中采集的水泵皮带轮的转速及皮带力归并为若干个特定转速，记录每个特定转速的转数及对应的皮带力；
S103,采用有限元方法计算在每个特定转速下水泵皮带轮旋转一周的应力；
S104,根据S103的应力计算结果，计算水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤；
S105,S102中的每个特定转速的转数乘以S104中的水泵皮带轮在每个特定转速下旋转一周产生的损伤，得到水泵皮带轮在每个特定转速下产生的损伤；
S106,累加步骤S105中每个特定转速下产生的损伤，得到整车道路试验水泵皮带轮产生的总损伤D；
S201,设定单体试验的皮带力；
S202,采用有限元方法计算单体试验时水泵皮带轮旋转一周产生的损伤d；
S301,设定单体试验时水泵皮带轮的转速s；
S401,计算得到水泵皮带轮单体试验的试验时间t，
2.根据权利要求1所述的汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，其特征在于，所述S103具体为：首先运用有限元软件建立分析模型，分析模型包括水泵皮带轮三维模型网格划分、材料参数设置、边界条件设置及最大皮带力施加，再采用有限元软件计算，得到水泵皮带轮旋转一周的应力云图。
3.根据权利要求2所述的汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，其特征在于，所述S104具体为：根据步骤S103得到的水泵皮带轮旋转一周的应力云图，利用疲劳分析软件计算得到水泵皮带轮旋转一周的损伤。
4.根据权利要求1所述的汽车发动机水泵皮带轮试验设计方法，其特征在于，所述S102中,所述特定转速包括与发动机怠速对应的水泵皮带轮转速、至少一个与发动机低速对应的水泵皮带轮转速、至少一个与发动机中速对应的水泵皮带轮转速以及至少一个与发动机高速对应的水泵皮带轮转速，发动机低速小于2000转每分钟，发动机中速不小于2000转每分钟且不大于4000转每分钟，发动机高速大于4000转每分钟。
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