發(fā)動機油底殼優(yōu)化設(shè)計研究

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摘要：在發(fā)動機油底殼的設(shè)計過程中，除滿足正常儲油功能外，還應(yīng)考慮油底殼對整機的噪聲貢獻。本文以某型號發(fā)動機為設(shè)計對象，根據(jù)整機參數(shù)要求，設(shè)計了與該發(fā)動機相匹配的鑄鋁材料油底殼。建立實體模型并進行了油量傾斜校核，保證在機油加注范圍內(nèi)機油的吸取，以及不發(fā)生曲軸攪動現(xiàn)象。對實體模型進行了模態(tài)仿真計算，確保模態(tài)滿足要求。對振動薄弱點進行了設(shè)計優(yōu)化改進，同時在油底殼內(nèi)部增加了擋油板。改進后油底殼完全滿足發(fā)動機使用要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；油底殼；模態(tài)

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的進步，汽車發(fā)動機向著高轉(zhuǎn)速，高功率，高效率方向發(fā)展，對發(fā)動機潤滑的要求也越來越高，同時，噪聲的問題日益凸顯，減少發(fā)動機的噪聲輻射也變得更加關(guān)鍵[1]。發(fā)動機油底殼作為發(fā)動機的重要零部件，不僅起到密封曲軸箱、貯存機油并防止機油氧化的作用，更兼具增加發(fā)動機整體強度、減少表面輻射噪聲的功能，是發(fā)動機潤滑系統(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)動機油底殼優(yōu)化設(shè)計具有重大的意義。

1實體模型的建立和機油傾斜校核

1.1設(shè)計思路

油底殼設(shè)計需要參考發(fā)動機內(nèi)部和外部的具體結(jié)構(gòu)，根據(jù)發(fā)動機潤滑需求及保養(yǎng)里程，確定整體的機油量需求，在設(shè)計油底殼具體結(jié)構(gòu)時，需避免曲軸攪動機油以及吸油口吸入空氣的情況同時保證外形盡量緊湊合理。影響油底殼設(shè)計的重要因素如下：①發(fā)動機油量需求。某型號系列發(fā)動機排量為2.0L，保養(yǎng)里程5000公里，一般需要3-4L機油，因此油底殼的容積基本可以確定。②發(fā)動機傾斜角度。設(shè)計油底殼結(jié)構(gòu)時，液面位置需要考慮發(fā)動機布置的傾角。③最小離地高度及發(fā)動機周邊。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曲柄連桿運動位置。設(shè)計油底殼機油液面高度時，應(yīng)避免高于曲柄連桿機構(gòu)最低點。

1.2實體模型建立

參考1.1小節(jié)涉及到的主要因素，并根據(jù)發(fā)動機的實際使用需求，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)驗繪制初步實體模型。為后續(xù)的油量傾斜校核及模態(tài)計算做好準(zhǔn)備。

1.3傾斜校核

油底殼作為發(fā)動機的儲油零部件，當(dāng)整車在行駛過程中爬坡、轉(zhuǎn)向或加減速時，貯存的機油較整車水平狀態(tài)時會產(chǎn)生短時間的液面傾斜，為防止液面傾斜時吸油口長時間吸入空氣，油氣混合物進入潤滑油路中造成潤滑不良，在油底殼的設(shè)計過程中必須進行機油傾斜校核。某型號發(fā)動機的油底殼，機油校核需要按照最小機油加注量3L，傾斜方向如表1所示。八方向機油校核校核結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，按照最小加油量3L計算，該發(fā)動機油底殼在八個方向傾斜35°或45°時，機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)點位移向量；{F（t）}為節(jié)點的載荷向量。在求取結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型時，結(jié)構(gòu)的阻尼可以忽略不計，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)驗提供，主要為ADC12鋁合金材質(zhì)。分析過程中采用ABAQUS軟件進行前處理、分析計算和后處理[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；仿真模擬評價油底殼的低階振動頻率與發(fā)動機的激勵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

對鑄鋁油底殼實體模型進行模態(tài)仿真，按照ADC12材料計算，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。考慮一階模態(tài)振動，圖1表明，油底殼底部平面變形較強烈，實際使用過程中易產(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，起到強化的作用。該模型模態(tài)滿足要求，不會與發(fā)動機產(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

3.1加強筋的處理

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烈，在振動強烈區(qū)域設(shè)置油底殼加強筋可以減弱底部振動，提升模態(tài)，因此應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計中予以優(yōu)化。設(shè)計時采用底面加強筋，連接油底殼底部平面和側(cè)壁，提升強度減小振動。經(jīng)過加強后的模型模態(tài)計算結(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

在車輛行駛過程中，由于車輛轉(zhuǎn)彎、上下坡或加減速，機油極易產(chǎn)生因晃動形成的不穩(wěn)定的機油液面，既影響曲軸運動，又不利于潤滑系統(tǒng)對機油的吸取。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，便于機油從發(fā)動機曲軸箱落入油底殼，同時不妨礙集濾器和機油標(biāo)尺的安裝，在擋油板的平面部分設(shè)有加強筋，增加強度提升模態(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)動機的設(shè)計輸入，設(shè)計了全鋁材料的油底殼，建立了油底殼是實體模型，并模擬了八個方向油底殼機油液面的傾斜，能夠滿足苛刻條件下的機油吸入要求。通過仿真計算分析，油底殼模態(tài)處于較高水平。底部的振動薄弱點通過設(shè)計優(yōu)化得到了很好的提升，同時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)計和優(yōu)化后的油底殼完全滿足發(fā)動機使用要求。

參考文獻：

[1]郭冬生，張峰昌.現(xiàn)動機油底殼設(shè)計思路[J].內(nèi)燃機及零件.

[2]唐元春.油底殼有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].汽車設(shè)計.

[3]魏薇.基于ABAQUS的發(fā)動機油底殼優(yōu)化設(shè)計[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)動機制造有限公司