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某汽油机TVD断裂原因分析及结构优化

刘超,李欣,张炜

东风汽车公司技术中心

摘要:本文对某汽油机TVD在试验开发过程中轮辐断裂的原因进行了有限元分析，并对应力危险

区域进行优化。分析时根据TVD的实际受力状态进行了静强度校核和疲劳校核。结果显示，原结

构的TVD皮带轮轮辐根部最大主应力超出材料的抗拉强度，应力超标的区域与断裂的区域完全一

致，明确了强度设计不足是引起TVD轮辐断裂失效的根本原因。根据有限元分析结果对应力危险

区域进行了结构优化，优化之后TVD皮带静强度和疲劳强度均满足设计要求，并顺利通过全负荷

可靠耐久试验。

关键词:TVD，有限元，静强度，疲劳

前言

因为汽车发动机各缸曲柄连杆机构交替做功的特点，导致曲轴的各曲拐之间会发生相对

扭转振动，简称扭振。为了消除曲轴的扭振，一般会在振幅最大的曲轴前端装置扭振减震器

（简称TVD）。此外，扭振减震器还有两个作用：一是作为轮系的动力输出源，驱动发动机

前端轮系和附件；二是与正时链壳和曲轴前油封形成径向密封，实现曲轴箱的静态和动态密

封[1]。汽车发动机上使用的扭振减震器是橡胶减震器，由惯量环、硫化橡胶层和皮带轮三

部分组成。本文针对某汽油机TVD皮带轮轮辐断裂的原因进行了有限元分析，并根据分析

结果对TVD皮带轮的结构进行了优化，通过试验台架上的装机试验证明，结构优化后的TVD

满足发动机正常工作时强度要求。

图1断裂的皮带轮

1TVD的布置形式和受力分析

1.1布置形式

如图1所示，TVD位于发动机前端，沿轴向分为内外两层，外层楔形槽安装1号皮带，

驱动水泵，内层楔形槽安装2号皮带，驱动空压机和发电机。

图2TVD的布置形式

1.2受力分析

根据TVD的布置形式，对发动机在疲劳耐久试验时TVD皮带轮的主要受力分析如下：

1）动态扭矩

TVD工作时通过自身的弹性单元产生一个阻尼力矩或反力矩以抵消曲轴前端的扭矩波

动。此力矩为TVD轮毂承受的主要力矩，可以通过多体动力学软件分析得到。图3为曲轴

曲轴hub端的动态扭矩波动曲线，最大动态扭矩为154Nm和-193Nm（负号表示力矩的方向

与曲轴的转向相反）。静强度校核时最大动态扭矩取-193Nm，疲劳强度校核时考虑正向最大

动态扭矩154Nm和最大负向动态扭矩-193Nm。

图3TVD曲轴hub端动态扭矩

2）附件扭矩

TVD在驱动水泵、发电机和空压机时，皮带会对TVD产生一个反向的摩擦力矩。附件

系扭矩可通过下列公式换算得到：

9550×

=⑴

式中：T为扭矩；P为功率；n为发动机转速。

表1附件系扭矩

功率发动机转扭矩

皮带驱动附件

/kW速/rpm/Nm

1号皮带水泵1.155001.91

2号皮带空压机和电机10.05550017.45

经过换算，1号皮带产生的附件扭矩为1.91Nm，2号皮带产生的附件扭矩为17.45Nm。因为

这些附件扭矩均是由摩擦力产生，与曲轴转动方向相反，因此在实际计算时附件扭矩取负号。

3）皮带张力

TVD上的皮带驱动附件系统时处于张紧状态，从而对皮带轮产生一个侧向拉力。1号皮

带和2号皮带在5500rpm时的张力可以通过动