某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上懸置安裝位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫秀毅，王相凱，曹軼群，單寶琴

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上懸置安裝位置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫秀毅，王相凱，曹軼群，單寶琴

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

針對缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程中受力變化較多，文章介紹了采用有限元分析與傳統(tǒng)缸體結(jié)構(gòu)受力分析相結(jié)合的方法，快速解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上懸置安裝位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中遇到的強(qiáng)度問題。

發(fā)動(dòng)機(jī)；缸體；強(qiáng)度

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-51-03

前言

現(xiàn)今生活中，隨著科技的發(fā)展，汽車技術(shù)日新月異，汽車性能、動(dòng)力也隨之日益提高，汽車在急加速、急減速等工況下對發(fā)動(dòng)機(jī)與整車之間的懸置安裝點(diǎn)的強(qiáng)度要求也日趨嚴(yán)格，然而隨著目前發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊型設(shè)計(jì)的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)上懸置安裝位置也無過多的空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只能采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式等方法提高安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

本文介紹了某發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)整車布置要求，需要在缸體上布置發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置的安裝位置，針對整車要求，對缸體上懸置安裝位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1、問題描述

在開發(fā)過程中，某發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)整車布置的要求，需要在缸體上增加一個(gè)懸置的安裝結(jié)構(gòu)，但因缸體結(jié)構(gòu)緊湊，需要在有限的空間內(nèi)布置下懸置的安裝結(jié)構(gòu)，并通過CAE分析，確保整車處于各種工況下，缸體上懸置安裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都低于缸體材料的許用應(yīng)力要求250MPa。

2、設(shè)計(jì)方案

懸置是起到連接發(fā)動(dòng)機(jī)與整車，并支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，針對懸置安裝位置需要，在缸體排氣側(cè)的前部分，增加4個(gè)螺栓搭子用來固定懸置。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，缸體內(nèi)外安裝著所有主要零部件和附件。缸體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證它有足夠的強(qiáng)度和剛度，即不產(chǎn)生裂紋和其他形式的損壞，也不出現(xiàn)過大的變形[1]，因此需要在每兩個(gè)螺栓搭子之間增加加強(qiáng)筋，將4個(gè)螺栓搭子連成一個(gè)整體以增加此位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并參照競品缸體將加強(qiáng)筋高度調(diào)整為10mm，厚度調(diào)整為5mm，加強(qiáng)筋之間及加強(qiáng)筋與螺栓搭子間的圓角半徑調(diào)整為最小5mm。缸體上新增加的安裝懸置位置結(jié)構(gòu)需通過模擬分析軟件對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，缸體結(jié)構(gòu)如下。

圖1 缸體結(jié)構(gòu)圖

3、模擬計(jì)算

3.1 模型描述

分析用模型主要包括缸體、鏈輪室罩蓋、懸置和懸置固定螺栓等，另外需要整車部門提供各工況下懸置受力數(shù)據(jù)。

為得到準(zhǔn)確有效的有限元模型，將模型內(nèi)較小的孔洞和倒圓角等部分進(jìn)行細(xì)化處理[2]。

圖2 結(jié)構(gòu)布置圖

3.2 計(jì)算方法

計(jì)算分如下三步完成

1）約束模型，給予缸體飛輪端和鏈輪室蓋前端面自由度約束，以此來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，約束整個(gè)模型的形變方向和空間。

2）裝配載荷計(jì)算，將計(jì)算模型中的懸置和缸體用懸置螺栓固定在一起，施加螺栓預(yù)緊力110N.M，轉(zhuǎn)換為螺栓軸向力為6000N。

3）計(jì)算模型應(yīng)力，根據(jù)整車部門提供的各工況下懸置受力數(shù)據(jù)，在模型加載點(diǎn)施加載荷，計(jì)算模型在載荷狀態(tài)下的變形狀態(tài)，并分析計(jì)算結(jié)果。

圖3 有限元模型

4、模擬結(jié)果與分析

根據(jù)以上模型及邊界條件，計(jì)算得到缸體的應(yīng)力分布。對靜強(qiáng)度來說，一般來說，工程上僅考慮最惡劣的工況[3]。通過CAE計(jì)算分析，在施加載荷狀態(tài)下，計(jì)算某機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力，曲軸箱壁面靜強(qiáng)度最大293MPa（如圖4），缸體軸承座位置最大靜強(qiáng)度684MPa（如圖5），螺栓搭子根部結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度271MPa（如圖6），詳見下圖：

圖4 缸體應(yīng)力分布a

圖5 缸體應(yīng)力分布b

圖6 缸體應(yīng)力分布c

缸體在以上三處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了靜強(qiáng)度超出缸體材料許用應(yīng)力范圍的問題，根據(jù)每個(gè)問題進(jìn)行針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。缸體的剛度和強(qiáng)度主要取決于金屬的分布。因此，在設(shè)計(jì)缸體時(shí)，往往在箱型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按其受力情況和剛度與強(qiáng)度的要求布置各種加強(qiáng)筋，同時(shí)按照需要也加強(qiáng)局部區(qū)域的壁厚，這樣可在缸體質(zhì)量最小的條件下使其在設(shè)計(jì)上盡可能達(dá)到高強(qiáng)度[4]。

5、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

5.1 缸體曲軸箱壁面結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)化

曲軸箱壁面結(jié)構(gòu)應(yīng)力293Mpa，超出缸體材料許用應(yīng)力，超出范圍較小，分析缸體此位置的結(jié)構(gòu)形式，在原設(shè)計(jì)過程中，此位置是缸體曲軸箱和缸體回油腔之間的壁面，其主要起到分隔兩部分結(jié)構(gòu)的作用，在承受載荷方面只是起到輔助作用；但在增加懸置安裝結(jié)構(gòu)之后，此位置起到連接懸置螺栓搭子和軸承座的作用，為主要受力結(jié)構(gòu)，因此此位置需要增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。具體實(shí)施方案是增加此位置結(jié)構(gòu)壁厚，將此處的螺栓拉力分擔(dān)出去，修改效果如下圖。

圖7 曲軸箱壁面結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后對比

5.2 缸體軸承座結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)化

缸體軸承座結(jié)構(gòu)應(yīng)力684Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出缸體材料許用應(yīng)力，分析缸體此位置的結(jié)構(gòu)形式，在原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，此位置的主要作用是與軸承蓋一起固定、支撐曲軸，保證曲軸穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，主要承擔(dān)曲軸在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下附加的高強(qiáng)度爆發(fā)載荷，其余承受的載荷為油底殼、支架等附件給予載荷，但在增加懸置安裝結(jié)構(gòu)之后，此位置還需要額外承擔(dān)懸置螺栓搭子的拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力作用在軸承座安裝面根部的加工尖角處，加大此處的應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力超出許用極限。由于此加工尖角是加工刀具加工過程中形成，無法消除，如改成帶圓角的刀具，則不利于成本控制及刀具的通用性，因此考慮從以下幾個(gè)更改軸承座結(jié)構(gòu)的方向優(yōu)化軸承座應(yīng)力：

1）增大軸承座與肋板之間過度圓角，圓角半徑由原來的3mm增大到15mm；

2）將軸承座兩側(cè)的抬肩高度降低5mm，以減小軸承座安裝面根部加工尖角處的應(yīng)力；

3）將軸承座受拉伸方向的壁厚加大，以減小軸承座變形，降低加工尖角處的應(yīng)力集中。

圖8 軸承座結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后對比

5.3 缸體螺栓搭子根部應(yīng)力優(yōu)化

缸體懸置安裝螺栓搭子根部結(jié)構(gòu)應(yīng)力271Mpa，超出缸體材料許用應(yīng)力，超出范圍較小，分析缸體此位置的結(jié)構(gòu)形式，此位置為新增加結(jié)構(gòu)，螺栓搭子根部承受懸置的拉伸力過大，導(dǎo)致圓角處應(yīng)力集中。在設(shè)計(jì)過程中，若產(chǎn)品全局或者局部的薄弱區(qū)域不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)增加產(chǎn)品剛度及強(qiáng)度，而增設(shè)加強(qiáng)筋是最有效最簡單的方法[5]。因此考慮在應(yīng)力集中處增加一處加強(qiáng)筋，并加大根部圓角，另外加厚其他兩處加強(qiáng)筋，將懸置的拉力分散到缸體底座上。

圖9 螺栓搭子根部結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后對比

5.4 優(yōu)化方案的模擬計(jì)算

綜合以上對模擬計(jì)算的結(jié)果及缸體結(jié)構(gòu)的分析，按照分析的結(jié)果修改缸體曲軸箱內(nèi)壁、軸承座、螺栓搭子的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化壁厚，優(yōu)化圓角，將修改后的模型重新進(jìn)行模擬計(jì)算分析，結(jié)果如下：

圖10 優(yōu)化后缸體應(yīng)力分布

曲軸箱內(nèi)壁、軸承座處及螺栓搭子根部最大應(yīng)力優(yōu)化為213Mpa，小于缸體材料的許用應(yīng)力250Mpa，滿足使用要求。

6、結(jié)論

缸體上布置懸置安裝結(jié)構(gòu)等大載荷結(jié)構(gòu)之后，很大程度上加劇了軸承座、螺栓搭子根部等位置的應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)初期需要針對不同結(jié)構(gòu)布置采取相應(yīng)措施；

由于懸置對缸體施加的載荷較大，導(dǎo)致缸體上局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力急劇增大，然而缸體本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過直觀感覺查找結(jié)構(gòu)上的問題點(diǎn)較為困難，然而通過模擬分析軟件對缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算，對缸體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化起到了指導(dǎo)作用，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，縮短了研發(fā)周期，提高工作效率；

本文針對缸體結(jié)構(gòu)上局部應(yīng)力過大的位置及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析其在缸體結(jié)構(gòu)中所承受的主要應(yīng)力，通過布置加強(qiáng)筋、增加壁厚、加大圓角、改變受力方向、分散結(jié)構(gòu)受力等方法，優(yōu)化缸體上應(yīng)力過大位置的結(jié)構(gòu)。

[1] 周龍保.等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005

[2] Zienkiewica O C,Taylor R L.有限元方法基本原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008：5-198.

[3] 周舟,楊懷剛,等.發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋氣缸體一體化三維模擬研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī).2007（171）:56-69.

[4] 袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2012.

[5] 文懷軍,閆雪華,李游,等. 基于CAE分析的缸體加強(qiáng)筋優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù),2011（6）：62-64.

Structural Design of Engine Bracket Mounting Position on an Engine Cylinder Block

Sun Xiuyi, Wang Xiangkai, Cao Yiqun, Shan Baoqin
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

The structure of cylinder block is complex, and the stress change is more. In this paper, the method of combining finite element analysis with traditional cylinder block structure is introduced. This method can be used to solve the structural strength problem of the mounting bracket structure in the engine cylinder block.

Engine; Block; Strength

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-51-03

孫秀毅，助理工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.017