某点火线圈安装板疲劳问题的研究

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　　摘要：针对某汽车点火线圈安装板疲劳的问题，运用CAE定量分析法和振动疲劳试验分析技术对点火线圈安装板进行研究。研究发现在安装板的某些位置出现应力过大的情况。对于应力过大的问题提出改进方案，并对改进方案用CAE分析法和试验法进行分析。分析结果表明，改进措施合理。

　　关键词：疲劳,应力,点火线圈安装板

　　点火线圈作为汽车点火控制系统的重要组成部件，是为点燃发动机气缸内空气和燃油混合物提供能量的执行部件。点火线圈的安装可靠性在点火控制系统的使用过程中起到重要的作用。而点火线圈安装板是点火线圈安装可靠性的关键部件。因此点火线圈安装板的疲劳寿命直接影响点火控制系统的可靠性和使用寿命。本文主要针对某点火线圈安装板的疲劳问题运用CAE分析法和振动疲劳试验分析技术分别进行研究，并分析研究结果，提出相应改进措施。

　　内容：

　　1、有限元分析

　　1.1 点火线圈安装板模型的建立

　　采用三维软件对点火线圈安装板进行建模。将模型导入到Hypermesh软件中，对导入的点火线圈安装板模型进行网格划分。安装板网格模型图如图1所示。

　　1.2 有限元分析结果

　　对图1所示的点火线圈安装板网格模型进行有限元应力计算，设定其材料属性，弹性模量E=2.07e+5MPa,泊松比为0.3，密度为7.9e+3kg/m3。计算结果如图2所示。图中的应力深蓝色表示应力最小，红色表示应力最大。红色处的应力值为505.04MPa，改应力值大于安装板所用材料的许用应力。同时有青绿色出现的位置应力也相对较大。

　　2.点火线圈安装板振动疲劳试验研究

　　2.1试验目的

　　试验目的：对点火线圈的安装板进行振动疲劳试验，发现安装板疲劳断裂程度及断裂位置，为改进安装板的设计提供依据。

　　2.2试验设备

　　试验设备由电动振动实验台、功率放大器、超低频扫频信号发生器、数字电压表、电荷放大器、振动加速度传感器和示波器等仪器组成。测试系统框图如图3所示：

　　2.3 试验条件

　　扫频条件 50～100 Hz/10 min

　　振动加速度 43.1 m/ (有效值)

　　振动方向分别沿着x,y,z三个坐标轴方向振动

　　振动时间每个坐标轴轴向分别为20 小时

　　2.4 试验过程及结果

　　试验中，试件通过专用夹具安装在试验台上。安装的时候，把铅直方向定义为Z轴方向，水平X、Y方向分别为点火线圈的长度方向和宽度方向。安装示意见图4。

　　按照图3测试系统框图安装连接实验设备及试件。试验信号是由超低频信号发生器提供的正弦扫频信号。信号经功率放大器放大，放大后的正弦扫频信号带动振动台振动。安装在振动台上的加速度传感器拾取的加速度振动信号，振动信号经电荷放大器输送到示波器及电压表进行显示。现场试验人员观察并记录信号的变化情况。

　　在Z方向对点火线圈安装板进行振动疲劳试验。启动信号发生器，将扫频条件设置为：50～100 Hz/10 min，调节功率放大器，同时观察示波器，使振动加速度有效值为43.1m/s2。Z方向试验时间为20小时，每经过1小时，试验人员停机检查一次试件的情况。经历20小时振动之后，观察试件外观正常，没有螺丝松动、裂痕、裂纹等现象出现。然后改变振动方向，进行X方向振动，振动过程和Z方向相同。经历X方向20小时振动后试件外观正常，无螺丝松动、裂痕、裂纹等现象出现。再次改变振动方向，在Y方向进行试验，在试验开始70分钟后，试件出现纵向裂纹，位置为图5中的①位置。120分钟后，位置①出现纵向断裂;160分钟后，试件的右边线圈螺栓振断，脱落，位置为图中的 ③位置;280分钟后试件中间线圈螺栓振断，明显松动，出现横向断裂，位置为图中的②位置。试验停止。试件损坏情况如图5所示：

　　2.5 试验分析

　　点火线圈在振动试验中，当沿着Y方向振动的时候容易导致其机械结构出现裂纹、断裂，甚至是点火线圈绕组由于固定螺栓断裂而从支架上脱落。从结构上分析，主要是由于安装板上的安装孔位置分布不合理，使得点火线圈安装系统在振动中形成“悬臂式”的安装方式，从而导致了支架结构在某些位置会出现应力过大的情况。由图3和图5比较可以看出，有限元计算和试验结果基本一致：即安装板在图5所示的①、②、③处都出现应力过大的现象。

　　3、改进措施及其验证

　　3.1 改进措施

　　通过有限元和试验分析可知安装板在图5所示的①、②、③所示机械结构处都出现应力过大的现象。因此对安装板的机械结构进行改进。建议将①断裂处的缺口改过度圆弧形状，断裂②处的板加厚2mm。

　　3.2 改进后安装板应力计算

　　对改进后的模型进行网格划分如图6所示，应力计算结果如图7所示。

　　从图7可以看出，改进后的点火线圈安装板的应力计算结果显示，改进前的①、②、③断裂处的应力小于材料的许用应力。

　　同时，对改进后的点火线圈安装板也做了振动疲劳试验，在规定的实验条件下进行实验，实验结束后整个安装板没有螺丝松动、裂痕、裂纹等现象出现。因此说明改进措施合理。

　　4、结语

　　通过有限元和振动疲劳试验分析，发现原点火线圈安装板由于机械结构不合理，导致某些位置应力集中。而改进后的安装板消除了应力集中的现象，从而提高了点火线圈安装板的疲劳寿命和工作可靠性。因此对点火线圈的改进措施是合理的。

　　参考文献：

　　[1]吴传全，夏春荣.汽车点火线圈及可靠性研究[J].中国水运，2009.11

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