链轮室盖板是发动机前端链系统的正时盖板，链轮室盖板集成动力转向泵支架(以下称为链轮室盖板支架)，用于安装发动机前端的动力转向泵，链轮室盖板支架受到皮带载荷的拉伸力。

本文介绍了一种受到皮带力作用的支架有限元分析方法，以一种链轮室盖板支架的断裂故障为分析对象，最后通过有限元分析和金相组织分析，确定断裂的原因是铸造缺陷。

故障特征及金相检查

发动机前端的链轮室盖板为铝合金材料压铸而成，如图1所示，链轮室盖板左侧伸出支架用于安装动力转型泵，且动力转向泵上安装有皮带，支架受到皮带载荷的拉伸力。在发动机800h全速全负荷台架试验后，拆机过程中发现链轮室盖板支架发生断裂(见图2)，断裂发生在螺栓搭子根部。

我们首先检查断裂件的断口，发现存在一定数量的气孔，且气孔直径较大(见图2)。对断口进行金相分析，发现断口部位存在严重的缩孔、疏松现象，组织存在严重的偏析(见图3)。铸造缺陷导致支架的机械性能下降，增大断裂的风险。

有限元分析

1.模型、边界和载荷的建立

为了验证链轮室盖板支架的结构强度是否满足使用要求，我们建立了链轮室盖板三维模型，并对其进行有限元强度分析。

在hypermesh中对链轮室盖板的三维模型进行检查修复，主要包括修复不连续的面、对螺栓进行修改以及检查装配关系等。网格划分时首先将螺栓以及接触面做好，之后再进行其他部位的划分，强度分析使用C3D10M单元。

链轮室盖板支架受到装配载荷(螺栓预紧力)、皮带拉力和由于发动机振动带来的冲击载荷，在发动机低转速阶段，皮带拉力大而冲击载荷小;在发动机中高速阶段，皮带拉力小而冲击载荷大。如果将装配载荷、最大皮带拉力和最大冲击载荷一起进行分析，会造成过载，在此对“装配载荷+最大皮带拉力”和“装配载荷+最大冲击载荷”分别进行分析。

约束链轮室壳体和缸体接触面的三个移动自由度，载荷为：使用M8螺栓，最大预紧力为18 750 N;6个方向24 g的重力加速度。共8个分析步，分别为：螺栓预紧力加载、螺栓长度固定、±X方向224 g加速度、±Y方向24 g加速度以及±Z方向24 g加速度。

有限元分析需要的链轮室盖板的材料属性如文中表所示。

2.分析过程及结果

对链轮室盖板支架进行“装配载荷+最大冲击载荷”分析，分析过程及结果如下：YL113的拉伸屈服强度为150 MPa，压缩屈服强度为225 MPa，对应强度分析中的Mises应力未显示有危险点超出了材料的屈服极限。图4展示了链轮室盖板支架的安全系数，可以看出最小安全系数是2.088，大于标准值1.1。

对链轮室盖板支架进行“装配载荷+最大皮带拉力”分析，分析过程及结果如下：约束方式不变，加载最大螺栓预紧力及皮带载荷，带轮受力大小为2 400 N，方向是348°。加载装配载荷和皮带力时的Mises应力显示出没有危险位置，没有超出材料的屈服极限。加载装配载荷和皮带力时的疲劳安全系数如图5所示，可以看出除了螺栓孔接触面及约束点之外，最小安全系数为1.63，大于标准值1.1。

通过以上分析可以看出，链轮室盖板的强度满足要求，但是以上是基于链轮室盖板支架不存在铸造气孔的理想状态分析的。由于支架存在大量的气孔，本身的机械性能下降，导致链轮室盖板支架的疲劳强度降低了很多。

整改措施及试验验证

根据以上分析，我们要求铸造厂家改进浇筑工艺，提高铸造性，然后进一步检查链轮室盖板支架的强度。

整改措施是优化模具，增加支架部分的浇道并加深加宽，增加铝液流动性，同时增加排气口，增强排气，如图6所示。

对新浇铸的链轮室盖板支架进行金相分析(见图7)，链轮室盖板支架存在轻微的缩孔和疏松现象，组织存在轻微的偏析。

整改后的链轮室盖板的气孔的数量减少，铸件的致密度得到了提高;气孔只产生在铸造厚度最厚的地方，而铸造厚度薄、强度较弱的地方没有气孔。

新铸造的链轮室盖板装机进行800 h全速全负荷试验，没有再发生断裂问题。

结语

有限元分析的链轮室盖板支架满足使用要求，但是实际上由于铸造性能差，产生大量气孔，组织疏松，存在严重的偏析，导致链轮室盖板支架疲劳强度减弱，最终发生疲劳断裂;有限元分析只考虑支架理想状态下的情况，因此有限元分析合格的支架，在实际生产中还应当严格控制实物的铸造缺陷，才能保证支架满足使用要求。