具有BSG系统的发动机曲轴轴颈强度分析及优化

陈尚尚，章家续，李欢，胡昌良（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



具有BSG系统的发动机曲轴轴颈强度分析及优化

陈尚尚，章家续，李欢，胡昌良
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章根据某发动机曲轴优化方案建立其FEA仿真模型，将BSG扭矩补偿极端情况下的最大载荷、前端轮系载荷、曲轴皮带轮螺栓等载荷加载，计算得出曲轴轴颈圆角处张力和安全系数，从而达到优化曲轴轴颈处高周疲劳强度的目的。

曲轴；BSG；高周疲劳；安全系数

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.012

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-35-03

引言

随着国家对汽车油耗和排放要求越来越高，48V BSG系统在乘用车发动机上得到越来越多的应用。BSG系统具有实现发动机起停、低速扭矩补偿、减速能量回收等功能，可以有效降低整车油耗和排放。BSG系统可以直接增加在常规发动机前端轮系处，对发动机整体结构影响较小。但是，由于BSG在低速扭矩补偿工况下加载在曲轴前端轴颈处的载荷较大，一般发动机曲轴前端轴颈圆角处都会有高周疲劳断轴风险，严重影响整车安全性。本文提供了一种提高曲轴前端轴颈圆角处高周疲劳的方法和具有 BSG系统曲轴轴颈安全系数 FEA计算方法，以确认高周疲劳安全系数高于设计标准，从而避免后期生产过程中质量问题的发生。

1、背景介绍

国内某发动机基本型产品无BSG（Belt Starter Generator）系统，为了降低发动机平均油耗，现需要在前端轮系处并排安装一套BSG系统。增加BSG系统后，经过FEA计算，在900转BSG系统对发动机进行扭矩补偿的工况下，曲轴前端轴颈圆角处存在高周疲劳断轴风险，需要采取措施提高轴颈圆角处高周疲劳安全系数至≥1.5。

前端轮系和BSG布置情况如图一，绿色皮带为BSG皮带；棕色皮带为前端轮系皮带（FEAD），前端轮系中包括水泵、空调压缩机、堕轮等零部件。BSG电机通过曲轴皮带轮向发动机曲轴加载扭矩，与前端轮系共用一个曲轴皮带轮。

将曲轴皮带轮螺栓螺纹啮合深度由57mm加深到67mm，螺栓长度同时加长 10mm，目的是为了将螺纹啮合处深度尽量超过曲轴前端轴颈过渡圆角位置，以期减小曲轴轴颈过渡圆角处的张力，从而提高此处高周疲劳安全系数。

3、FEA分析模型建立

3.1材料属性输入

将分析过程中需要使用到的各零部件材料属性进行调查并输入系统，其主要内容如表1：

表1　材料属性

3.2FEA模型约束条件

约束条件如图3所示，曲轴皮带轮轮毂、橡胶、外圈间为绑定约束；对曲轴皮带轮螺栓安装面、曲轴皮带轮螺栓平垫安装面、曲轴皮带轮安装面、曲轴正时链轮侧面、曲轴轴颈侧面间施加所有方向全绑定约束，曲轴正时链轮内孔与曲轴轴颈外径间施加正常工况下类似的滑移方向绑定约束；对曲轴皮带轮螺栓上的螺纹施加正常力矩打紧后的螺纹径向力；同时，最主轴瓦正常施加朝向曲轴中心方向的力，使得主轴瓦固定在轴颈径向方向。

3.3高周疲劳工况输入

本文分析了两种极端情况下曲轴轴颈圆角处的安全系数。

3.3.1低速工况

BSG布置情况如图1中绿色皮带所示，前端轮系供应商提供了 BSG在低速扭矩补偿工况下施加在曲轴上的拉力曲线如图四中红色曲线所示，同一工况下BSG输出力矩曲线如图五所示。从图中可以看出低速900转时BSG补偿在曲轴上的力为4200N、力矩为110N·m，该工况为最恶劣工况之一，也是最易发生高周疲劳的工况之一。此时，曲轴前端还同时受到来自前端轮系的拉力800N、曲轴皮带轮螺栓轴向预紧力135.7kN。

3.3.2高速工况

高速工况下（4750rpm/min）曲轴前端轴颈处弯曲振动幅度最大，弯曲振动曲线如图六所示。

此时 BSG作用在曲轴上的力和前端轮系作用在曲轴上的力均为1000N，方向相反，因此两个力基本相互抵消。

所以，在4750rpm最大弯曲振动工况下，仅有曲轴皮带轮螺栓预紧力135.7kN这一个载荷输入，此工况比基本型未安装BSG系统弯曲振动更小，因此不会存在高周疲劳风险，无需做进一步分析。

3.4静态载荷及加载

（1）曲轴皮带轮螺栓预紧力135.7kN，在螺栓装配打紧时已经施加。

（2）在900转BSG进行力矩补偿工况下BSG最大拉力4200N和110N·m的力矩同时施加在曲轴皮带轮上，同时前端轮系800N的力同时作用在曲轴皮带轮上，其方向与BSG的力相反。

（3）链系统作用在曲轴上的力可以忽略不计，因为其导致曲轴弯曲变形的效果与BSG和前端轮系相比微不足道。

（4）为了更好的模拟曲轴旋转的工况，每10º划分一个力的方向，同时力是相对曲轴的中心面旋转的。

4、分析结果

从图8的分析结果可以得出，曲轴皮带轮螺栓孔螺纹啮合深度加深10mm后，曲轴轴颈圆角处应力由754MPa降低到493MPa，应力降低35%。

从图9的计算结果可以得出，曲轴皮带轮螺栓孔螺纹啮合深度加深10mm后，曲轴轴颈圆角处的安全系数由1.0明显提高到了2.02。优化后安全系数高于标准值1.5，因此优化后的曲轴前端轴颈圆角处疲劳强度完全可以满足在发动机900转BSG力矩补偿这一恶劣工况下工作。

5、结束语

本文以一个实例，常规发动机增加BSG系统后，通过加深曲轴皮带轮螺栓螺纹啮合深度提高曲轴轴颈处安全系数。FEA分析过程中考虑到了发动机增加BSG系统后会导致曲轴前端轴颈圆角处疲劳风险最大的两种极端恶劣工况，然后对曲轴轴颈处应力情况、安全系数进行计算，最终优化后的方案安全系数满足了设计目标值，避免了后期曲轴高周疲劳导致的曲轴断裂，同时避免了后期因质量问题而进行大规模设计变更，造成成本损失和企业形象损失的惨状的发生。

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The simulation and optimization of the engine crankshaft with BSG system

Chen Shangshang,Zhang Jiaxu,Li Huan,Hu Changliang
（Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd,Anhui Hefei 230601）

It was based on the engine crankshaft optimization scheme to establish a simulation model of the system,and loading the BSG maximum load、FEAD load and TVD bolt load on the FEA model,then calculate the tensile stress and safety factors around the crank nose fillet,thus achieve the purpose of optimizing the strength of the crankshaft nose fillet.

Crankshaft; BSG; High cycle fatigue; Safety factor

U464

A

1671-7988（2016）08-35-03

陈尚尚（1989-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，从事发动机设计工作。