發(fā)動機(jī)油底殼優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
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摘要：在發(fā)動機(jī)油底殼的設(shè)計(jì)過程中，除滿足正常儲油功能外，還應(yīng)考慮油底殼對整機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)。本文以某型號發(fā)動機(jī)為設(shè)計(jì)對象，根據(jù)整機(jī)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了與該發(fā)動機(jī)相匹配的鑄鋁材料油底殼。建立實(shí)體模型并進(jìn)行了油量傾斜校核，保證在機(jī)油加注范圍內(nèi)機(jī)油的吸取，以及不發(fā)生曲軸攪動現(xiàn)象。對實(shí)體模型進(jìn)行了模態(tài)仿真計(jì)算，確保模態(tài)滿足要求。對振動薄弱點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)在油底殼內(nèi)部增加了擋油板。改進(jìn)后油底殼完全滿足發(fā)動機(jī)使用要求。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；油底殼；模態(tài)
引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，汽車發(fā)動機(jī)向著高轉(zhuǎn)速，高功率，高效率方向發(fā)展，對發(fā)動機(jī)潤滑的要求也越來越高，同時(shí)，噪聲的問題日益凸顯，減少發(fā)動機(jī)的噪聲輻射也變得更加關(guān)鍵[1]。發(fā)動機(jī)油底殼作為發(fā)動機(jī)的重要零部件，不僅起到密封曲軸箱、貯存機(jī)油并防止機(jī)油氧化的作用，更兼具增加發(fā)動機(jī)整體強(qiáng)度、減少表面輻射噪聲的功能，是發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。目前市面上廣泛應(yīng)用的油底殼結(jié)構(gòu)為薄壁殼體結(jié)構(gòu)，壁厚一般為0.8-3mm，材料為鑄鐵、鑄鋁殼體、沖壓鋼板、注塑樹脂等，也有不同材料組合使用的型式。因此，滿足集成、潤滑以及NVH特性的發(fā)動機(jī)油底殼優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重大的意義。
1實(shí)體模型的建立和機(jī)油傾斜校核
1.1設(shè)計(jì)思路
油底殼設(shè)計(jì)需要參考發(fā)動機(jī)內(nèi)部和外部的具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)發(fā)動機(jī)潤滑需求及保養(yǎng)里程，確定整體的機(jī)油量需求，在設(shè)計(jì)油底殼具體結(jié)構(gòu)時(shí)，需避免曲軸攪動機(jī)油以及吸油口吸入空氣的情況同時(shí)保證外形盡量緊湊合理。影響油底殼設(shè)計(jì)的重要因素如下：①發(fā)動機(jī)油量需求。某型號系列發(fā)動機(jī)排量為2.0L，保養(yǎng)里程5000公里，一般需要3-4L機(jī)油，因此油底殼的容積基本可以確定。②發(fā)動機(jī)傾斜角度。設(shè)計(jì)油底殼結(jié)構(gòu)時(shí)，液面位置需要考慮發(fā)動機(jī)布置的傾角。③最小離地高度及發(fā)動機(jī)周邊。油底殼的安裝法蘭面形狀決定了容積的底面積，發(fā)動機(jī)離地最小高度決定了油底殼的最大高度，二者的乘積是油底殼的最大容積。④曲柄連桿運(yùn)動位置。設(shè)計(jì)油底殼機(jī)油液面高度時(shí)，應(yīng)避免高于曲柄連桿機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)。
1.2實(shí)體模型建立
參考1.1小節(jié)涉及到的主要因素，并根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)際使用需求，選用合適的材料，確定油底殼的壁厚，可以初步建立油底殼的實(shí)體模型。某型號油底殼選用ADC12壓鑄鋁材料，壁厚3mm，總?cè)莘e約6L，參數(shù)固定后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)繪制初步實(shí)體模型。為后續(xù)的油量傾斜校核及模態(tài)計(jì)算做好準(zhǔn)備。
1.3傾斜校核
油底殼作為發(fā)動機(jī)的儲油零部件，當(dāng)整車在行駛過程中爬坡、轉(zhuǎn)向或加減速時(shí)，貯存的機(jī)油較整車水平狀態(tài)時(shí)會產(chǎn)生短時(shí)間的液面傾斜，為防止液面傾斜時(shí)吸油口長時(shí)間吸入空氣，油氣混合物進(jìn)入潤滑油路中造成潤滑不良，在油底殼的設(shè)計(jì)過程中必須進(jìn)行機(jī)油傾斜校核。某型號發(fā)動機(jī)的油底殼，機(jī)油校核需要按照最小機(jī)油加注量3L，傾斜方向如表1所示。八方向機(jī)油校核校核結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，按照最小加油量3L計(jì)算，該發(fā)動機(jī)油底殼在八個(gè)方向傾斜35°或45°時(shí)，機(jī)油液面可以完全覆蓋吸油盤的吸油口，不會發(fā)生空氣吸入的現(xiàn)象。
2仿真模擬計(jì)算
2.1動力學(xué)基礎(chǔ)
對于多自由度的動力學(xué)系統(tǒng)，其方程為式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{q}為節(jié)點(diǎn)位移向量；{F（t）}為節(jié)點(diǎn)的載荷向量。在求取結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻尼可以忽略不計(jì)，因此，上式可以簡化為沒有阻尼的振動方程，具體形式是：
2.2仿真模型建立
使用上階段創(chuàng)建的實(shí)體模型，通過網(wǎng)格劃分建立有限元模型，模型中的材料屬性根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提供，主要為ADC12鋁合金材質(zhì)。分析過程中采用ABAQUS軟件進(jìn)行前處理、分析計(jì)算和后處理[2]；模態(tài)分析沒有載荷，采用約束模態(tài)，油底殼與缸體接觸的螺栓處，約束其自由度；仿真模擬評價(jià)油底殼的低階振動頻率與發(fā)動機(jī)的激勵(lì)頻率是否有共振的可能，以及低階模態(tài)的振型；該分析過程及算法也適用于同類發(fā)動機(jī)油底殼的模態(tài)分析[3]。
2.3仿真結(jié)果及分析
對鑄鋁油底殼實(shí)體模型進(jìn)行模態(tài)仿真，按照ADC12材料計(jì)算，一階模態(tài)如圖1所示。 由以上結(jié)果可以看出，全鋁油底殼的振動模態(tài)滿足正常使用要求，但部分區(qū)域仍存在薄弱點(diǎn)?？紤]一階模態(tài)振動，圖1表明，油底殼底部平面變形較強(qiáng)烈，實(shí)際使用過程中易產(chǎn)生鼓狀噪聲。另外，鑄鋁油底殼內(nèi)部需要增加擋油板，除穩(wěn)定油面的作用外，擋油板還能對油底殼產(chǎn)生拉力，起到強(qiáng)化的作用。該模型模態(tài)滿足要求，不會與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振，但是局部區(qū)域仍需要優(yōu)化，此外，還需要增加油底殼擋油板。
3優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1加強(qiáng)筋的處理
改善油底殼結(jié)構(gòu)的動剛度或增加阻尼等措施能夠有效抑制振動2.3小節(jié)的一階模態(tài)結(jié)果表明，油底殼底部平面振動較強(qiáng)烈，在振動強(qiáng)烈區(qū)域設(shè)置油底殼加強(qiáng)筋可以減弱底部振動，提升模態(tài)，因此應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)中予以優(yōu)化。設(shè)計(jì)時(shí)采用底面加強(qiáng)筋，連接油底殼底部平面和側(cè)壁，提升強(qiáng)度減小振動。經(jīng)過加強(qiáng)后的模型模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明：新增連接底面和側(cè)壁的加強(qiáng)筋，不僅將一階模態(tài)提升至1217Hz，更大幅度減輕了底面的振動，較大程度地削弱了鼓狀噪聲，對整體的振動抑制起到了良好的效果。
3.2擋油板的設(shè)計(jì)
在車輛行駛過程中，由于車輛轉(zhuǎn)彎、上下坡或加減速，機(jī)油極易產(chǎn)生因晃動形成的不穩(wěn)定的機(jī)油液面，既影響曲軸運(yùn)動，又不利于潤滑系統(tǒng)對機(jī)油的吸取。擋油板的加入可以很好的起到控制液面晃動的作用，此外，擋油板通過螺栓與鑄鋁油底殼連接，還能起到提升整體強(qiáng)度的作用，對振動抑制起到積極效果。擋油板采用沖壓鋼板材料，厚度1.2mm。擋油板位于油底殼中部，板中設(shè)有不同開孔，便于機(jī)油從發(fā)動機(jī)曲軸箱落入油底殼，同時(shí)不妨礙集濾器和機(jī)油標(biāo)尺的安裝，在擋油板的平面部分設(shè)有加強(qiáng)筋，增加強(qiáng)度提升模態(tài)。擋油板的一階振動模態(tài)如圖3所示。以上結(jié)果表明：擋油板的模態(tài)滿足使用要求，不與發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振，增加擋油板的措施是合理且積極的。
4結(jié)束語
發(fā)動機(jī)油底殼屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，不僅要滿足車輛日常使用需求，對噪聲也有較大的影響，油底殼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對噪聲的抑制具有重大意義。本文根據(jù)某型號發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)了全鋁材料的油底殼，建立了油底殼是實(shí)體模型，并模擬了八個(gè)方向油底殼機(jī)油液面的傾斜，能夠滿足苛刻條件下的機(jī)油吸入要求。通過仿真計(jì)算分析，油底殼模態(tài)處于較高水平。底部的振動薄弱點(diǎn)通過設(shè)計(jì)優(yōu)化得到了很好的提升，同時(shí)擋油板的增加起到了穩(wěn)定液面和提升模態(tài)的作用。經(jīng)過設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的油底殼完全滿足發(fā)動機(jī)使用要求。
參考文獻(xiàn)：
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[2]唐元春.油底殼有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車設(shè)計(jì).
[3]魏薇.基于ABAQUS的發(fā)動機(jī)油底殼優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程師.
作者：聶川 宗陳艷 單位：沈陽航天三菱汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司