柴油機(jī)飛輪殼輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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摘要：本文以鑄鐵HT250飛輪殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將飛輪殼材料由HT250優(yōu)化為YL112，降低飛輪殼整體重量為目標(biāo)，通過優(yōu)化計(jì)算得出，優(yōu)化后飛輪殼的最大主應(yīng)力值為100MPa，較HT250飛輪殼的最大主應(yīng)力在161.2MPa小得多，疲勞安全系數(shù)略小于HT250的飛輪殼；并且通過計(jì)算兩張材料下的動(dòng)力總成模態(tài)頻率，采用YL112的飛輪殼1階模態(tài)頻率要高于HT250飛輪殼的1階模態(tài)頻率，說(shuō)明優(yōu)化后飛輪殼的剛度得到一定的提升；通過優(yōu)化后最終飛輪殼的重量減輕4.5kg，輕量化效果明顯。

關(guān)鍵詞：飛輪殼；輕量化；動(dòng)力總成；模態(tài)

引言

近年來(lái)，由于環(huán)境污染，嚴(yán)重的霧霾不斷出現(xiàn)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)的要求也越趨于嚴(yán)格，隨著國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施計(jì)劃，對(duì)汽車排放NOx、HC和PM標(biāo)準(zhǔn)及燃油耗標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步嚴(yán)格限制，因此急需快速改善汽車的排放指標(biāo)及降低整車油耗，而汽車輕量化對(duì)汽車排放指標(biāo)和降低整車燃油消耗率帶來(lái)了巨大的利好。柴油機(jī)作為汽車的核心動(dòng)力總成，其重量占汽車比重的很大一部分，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。柴油機(jī)輕量化設(shè)計(jì)能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的比功率及整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。零部件的輕量化設(shè)計(jì)能夠給汽車帶來(lái)降低NOX、HC及PM等排放污染物，使得汽車能夠滿足國(guó)家制定的國(guó)五和國(guó)六排放法規(guī)的效果，并且還能夠降低燃油消耗量，有試驗(yàn)表明：汽車的總重量每降低10%，則燃油消耗量可以降低6-8%，排放污染物可以降低4%。目前，汽車的輕量化主要采用的有效措施為采用高強(qiáng)度碳鋼、復(fù)合材料、工程塑料、鋁合金、鎂合金及蠕墨鑄鐵等，在這些材料中，由于鎂合金材料價(jià)格較高，因此更得采用鋁合金材料，鋁合金材料具有較高的抗拉強(qiáng)度、加工性能、環(huán)保性能和耐腐蝕性能，同時(shí)鋁合金材料的密度較之鑄鐵材料更小，約1/3，說(shuō)明鋁合金材料成為輕量化設(shè)計(jì)的首選材料之一，尤其是針對(duì)柴油機(jī)輕量化來(lái)算，鋁合金材料尤為重要。對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)品重要特性為C級(jí)的鑄鐵零部件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括空調(diào)壓縮機(jī)支架、發(fā)電機(jī)支架、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵支架和飛輪殼等部件，發(fā)現(xiàn)這些鑄鐵件總重量超過20kg，有些產(chǎn)品達(dá)到40kg，甚至更高的重量。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，壓鑄鋁的飛輪殼已經(jīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上投入使用。壓鑄鋁飛輪殼不僅使用在乘用車，而且商用柴油車上也得到應(yīng)用，例如東風(fēng)貨車、曼發(fā)動(dòng)機(jī)、五十鈴、大眾等，從目前的狀況來(lái)看，將發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼由HT250更改為壓鑄鋁，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量成為一種趨勢(shì)。

1計(jì)算邊界條件及計(jì)算目標(biāo)

利用UGNX6.0建立附件模型，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，因此采用二階四面體單元，在考慮計(jì)算機(jī)性能的前提下，盡量要求飛輪殼的網(wǎng)格更加細(xì)致。在分析時(shí)，為減少計(jì)算量，計(jì)算過程中按動(dòng)力總成及飛輪殼零部件強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)表1-表3參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算目標(biāo)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為800-3600rpm，則其二階發(fā)火頻率為26-120Hz，要求柴油機(jī)附近支架頻率大于（1.3±0.1）*120HZ=144-168HZ，則附件支架的安全系數(shù)為1.2-1.4。動(dòng)力總成有限元模型的建立，通過利用有限元軟件建立機(jī)體-飛輪殼-變速箱的動(dòng)力總成模型如圖1。由于有限元計(jì)算無(wú)法完成非線性模態(tài)分析，因此機(jī)體與飛輪殼之間通過RBE單元連接螺栓孔，飛輪殼與變速箱支架通過RBE連接螺栓孔，有限元網(wǎng)格采用3.5mm的C3D10M，其中機(jī)體節(jié)點(diǎn)1404978，單元820410，飛輪殼節(jié)點(diǎn)共619164個(gè)，單元共186018個(gè)；變速總成節(jié)點(diǎn)739602個(gè)，單元共1427224個(gè)。

2飛輪殼靜強(qiáng)度計(jì)算

針對(duì)飛輪殼進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算邊界按過凹槽6G，轉(zhuǎn)彎時(shí)X為0；Y為2G；Z為5G，碰撞時(shí)取8G載荷的方式加載。通過加載載荷計(jì)算得出，材料為HT250時(shí)，該結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值為161.2MPa，如圖2所示；材料為壓鑄鋁YL112時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值為100MPa，如圖3所示；新結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值小于原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，說(shuō)明新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化狀態(tài)較好。對(duì)飛輪殼進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其結(jié)果可知，HT250飛輪殼的最小疲勞安全系數(shù)為1.94，如圖4所示；材料為YL112的飛輪殼最小疲勞安全系數(shù)為1.89，如圖5所示；優(yōu)化后安全系數(shù)大于1.25，滿足強(qiáng)度要求。

3動(dòng)力總成模態(tài)分析

通過對(duì)比計(jì)算兩張結(jié)構(gòu)下的動(dòng)力總成模態(tài)頻率，原結(jié)構(gòu)HT250飛輪殼的動(dòng)力總成系統(tǒng)1階模態(tài)頻率為152Hz，如圖6所示；二階模態(tài)頻率為157Hz，如圖7所示；采用壓鑄鋁YL112后，優(yōu)化飛輪殼結(jié)構(gòu)，動(dòng)力總成系統(tǒng)的1階模態(tài)頻率為180Hz，如圖8所示；二階模態(tài)頻率為221Hz，如圖9所示；以上數(shù)據(jù)說(shuō)明優(yōu)化后新結(jié)構(gòu)的動(dòng)力總成系統(tǒng)剛度有一定的提升，通過改善零部件結(jié)構(gòu)可以提升零部件整體剛度，從而改善系統(tǒng)剛度。

4小結(jié)

①通過對(duì)飛輪殼進(jìn)行靜強(qiáng)度對(duì)比計(jì)算與分析，采用HT250飛輪殼的最大主應(yīng)力值為161.2MPa，通過計(jì)算疲勞循環(huán)，得出最小疲勞安全系數(shù)為1.94；采用壓鑄鋁YL112的飛輪殼，由于鑄造工藝差異，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終該飛輪殼的最大主應(yīng)力值為100MPa，其最小疲勞安全系數(shù)為1.89；②對(duì)兩種材料的飛輪殼進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算，采用HT250飛輪殼的動(dòng)力總成系統(tǒng)1階模態(tài)頻率為152Hz，采用壓鑄鋁YL112飛輪殼的動(dòng)力總成系統(tǒng)1階模態(tài)頻率為180Hz；③因材料由HT250優(yōu)化為壓鑄鋁YL112，則飛輪殼重量由原來(lái)HT250結(jié)構(gòu)的8.5kg減至YL112結(jié)構(gòu)的4kg，減重4.5kg，說(shuō)明減重效果明顯。

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作者：顧偉 李明 徐遠(yuǎn)志 單位：西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院