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(福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

基于FSC的本田CBR600發(fā)動機油底殼改進設(shè)計

查云飛，張利浩，廖宇暉，錢仁煥，曾鑫龍，鐘勇

(福建工程學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118)

針對本田CBR600發(fā)動機重心過高問題，重新設(shè)計了新的油底殼，降低了59 mm的發(fā)動機重心高度，利用ANSYS-VOF模型對兩種方案進行對比分析，得出采用“菱形”擋板布置的油底殼具有更好的減晃性能。為避開發(fā)動機和地面激勵，利用ANSYS-Model模塊對新設(shè)計的油底殼進行了模態(tài)分析，結(jié)果表明,油底殼固有頻率有效避開了激振頻率。裝配新設(shè)計油底殼的發(fā)動機搭載在某學(xué)院第三代賽車上，通過近千公里的測試、比賽驗證了方案的可靠性。

本田CBR發(fā)動機； 油底殼； 晃動分析； VOF模型； 優(yōu)化設(shè)計

中國大學(xué)生方程式汽車大賽(簡稱“FSC”)是一項由高等院校汽車工程相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽*參閱中國大學(xué)生方程式汽車大賽組委會《2016中國大學(xué)生方程式汽車大賽參賽手冊》，中國汽車工程協(xié)會，2016。。符合大賽規(guī)則要求且動力性能突出的本田CBR600發(fā)動機成為了眾多參賽車隊的首選，但原裝本田CBR600發(fā)動機為重型機車發(fā)動機，重心偏高，直接應(yīng)用到大學(xué)生方程式賽車上會影響賽車在高速過彎的穩(wěn)定性。改變本田CBR600發(fā)動機的油底殼結(jié)構(gòu)，設(shè)計出滿足大學(xué)生方程式賽車的油底殼可有效降低發(fā)動機的重心高度，提高賽車的過彎性能。油底殼是發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的重要組件，起到儲油、冷卻、封閉曲軸箱的作用，為滿足實際工況要求新油底殼需要在減緩機油受力晃動、避免共振兩方面有優(yōu)越表現(xiàn)[1]。本田CBR600發(fā)動機原裝油底殼為濕式油底殼，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的優(yōu)點。因此，在保障原裝發(fā)動機潤滑系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，本設(shè)計僅對其油底殼結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，并通過晃動分析和模態(tài)分析來確保此潤滑系統(tǒng)有效、穩(wěn)定。

1 儲油量計算

根據(jù)AVL經(jīng)驗推薦，汽油發(fā)動機油底殼內(nèi)機油的循環(huán)次數(shù)約為6～8次/min。油底殼的容積V可以用油底殼內(nèi)的機油循環(huán)次數(shù)和發(fā)動機的機油流量來計算[2]。發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速機油流量Q可運用熱量換算法進行計算，根據(jù)機油帶走熱量來計算發(fā)動機的機油流量。相關(guān)公式如下：

式中：α0為機油散熱量占總發(fā)熱量的百分比，對于汽油發(fā)動機可取0.015～0.025；P為內(nèi)燃機有效功率，單位：kW；ηe為發(fā)動機熱效率，對于汽油機可取0.25；Φj為機油帶走的熱量，單位：kJ/h；γ為機油的比重，一般可取0.85 kg/L；cj為機油的比熱容，一般可取1.7～2.1 kJ/(kg·K)；Δt為機油在完成一次循環(huán)過程中的升溫，一般可取10～15℃；Q為發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速機油流量，單位：L/min；C為機油循環(huán)次數(shù)，單位：次/min。

將發(fā)動機相關(guān)參數(shù)代入式(1)～(3)，可得油底殼容積V，其值不能小于2.2 L。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

油底殼改進設(shè)計的主要目的是降低發(fā)動機油底殼高度，因此將原裝的尖底油底殼改為平底式油底殼。同時，為了保證油底殼配合面平面度、螺栓孔定位、回油口定位的精度要求，對配合面進行了掃描測繪。根據(jù)掃描圖建立了兩個3D模型，且新模型滿足下列要求：保證油底殼容量不小于2.2 L；高度小于原裝油底殼；12個螺栓孔、中間4個定位凸臺位置精度高；配合面平整度高；內(nèi)部擋油板和回油孔精度有保證；放油螺栓可放光機油。兩個模型均采用薄壁加加強肋結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于方案1底部中間的4個擋板布置形式為“長方形”，方案2底部中間的4個擋板布置形式為“菱形”，并且擋板底部有加強肋(提高擋板強度)，分別如圖1、2所示，此結(jié)構(gòu)的油底殼能有效降低發(fā)動機重心高度59 mm。

圖1 油底殼設(shè)計方案1Fig.1 Design scheme 1 of oil pan

圖2 油底殼設(shè)計方案2Fig.2 Design scheme 2 of oil pan

3 晃動分析

晃動分析用于模擬氣液兩相受力晃動后的交界面變化，參考晃動分析結(jié)構(gòu)可以有效地縮短研發(fā)與實驗周期，提前知道特定結(jié)構(gòu)或力的變化對相關(guān)系統(tǒng)的影響?？紤]到油底殼的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，進行流體計算較為耗費時間，首先在CATIA中對其模型進行簡化處理，簡化不必要結(jié)構(gòu)并重新建立油底殼的拓撲模型。將建完的模型導(dǎo)入到ANSYS—Design Modeler中抽取計算域，并利用ANSYS—Mesh模塊對其進行網(wǎng)格劃分。在進行網(wǎng)格劃分時，考慮到網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對計算結(jié)構(gòu)影響較大，因此采用了高級尺寸功能的Proximity and Curvature控制自動加密網(wǎng)格，并使用Cut Cell方法進行網(wǎng)格劃分以提高網(wǎng)格質(zhì)量，生成數(shù)量少、質(zhì)量高的網(wǎng)格。計算域剖開的網(wǎng)格分布圖如圖3、4所示。

圖3 方案1網(wǎng)格分布圖Fig.3 Grid distribution diagram of scheme 1

圖4 方案2網(wǎng)格分布圖Fig.4 Grid distribution diagram of scheme 2

按整車相關(guān)參數(shù)的設(shè)定要求，VOF模型側(cè)向加速度和縱向加速度的最大值均設(shè)置為1.5g。為了對比設(shè)計方案1、2的減晃性能，簡化曲軸轉(zhuǎn)動對油液的影響，參照集濾器的高度，設(shè)計擋板高度為45 mm，機油液面的高度超過擋板10 mm。利用VOF模型捕捉到氣液兩相交界面的變化，方案1、2進行晃動分析得到的結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 方案1晃動結(jié)果云圖Fig.5 Sloshing cloud diagram of scheme 1

圖6 方案2晃動結(jié)果云圖Fig.6 Sloshing cloud diagram of scheme 2

從圖5、6可看出，雖然機油同時受到側(cè)向和縱向加速度的作用在劇烈晃動，但位于擋板中間的集濾器吸油口一直浸沒于機油中。其中方案1氣液交界面波動較大，機油晃動較劇烈，較多的機油被甩離集濾器；方案2氣液交界面波動較小，機油晃動較弱，只有較少的機油被甩離集濾器。從以上對比分析可以得出方案2的減晃性能更加優(yōu)越，因此本設(shè)計采用方案2的結(jié)構(gòu)模型。

方案2改進后的油底殼相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。從表1可看出，改進后油底殼減晃性能以及質(zhì)量有所下降，但在保證總儲油量的情況下，油底殼高度大幅降低，這在大學(xué)生方程式賽車上尤其重要。

表1油底殼改造前后性能、參數(shù)對比表
Tab.1Comparisonoftheperformanceandparametersbetweentheoldoilpanandtheimprovedoilpan

內(nèi)容結(jié)構(gòu)減晃能力體積/L質(zhì)量/g高度/mm原方案倒錐加強肋強2.2825137改進方案2平底加強肋較強2.283377

4 模態(tài)分析

通過模態(tài)分析模擬系統(tǒng)的各階次固有頻率和動態(tài)響應(yīng)特性，然后按照設(shè)計相關(guān)的技術(shù)要求修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使其滿足設(shè)計要求，以縮短研發(fā)周期，減輕實驗負擔(dān)。車輛在行駛過程中受到的激勵主要為發(fā)動機激勵和路面激勵，發(fā)動機工作時產(chǎn)生簡諧振動，其振動頻率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，路面不平整造成的車輛隨機振動為低頻振動，頻率一般在1～20 Hz[3]。

發(fā)動機激振頻率f的計算公式為：

式中：n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；z為發(fā)動機缸數(shù)；r為發(fā)動機沖程數(shù)。

本田 CBR600發(fā)動機為四缸四沖程發(fā)動機，其怠速轉(zhuǎn)速為2 200 r/min,常態(tài)工作轉(zhuǎn)速4 500～8 500 r/min，根據(jù)公式(4)可以得到發(fā)動機怠速頻率為73.33 Hz,發(fā)動機常態(tài)工作頻率為150.00～283.33 Hz。

如果油底殼某一固有頻率與地面激勵頻率和發(fā)動機激勵頻率重合將會使油底殼產(chǎn)生共振，加速油底殼的損壞。因此利用ANSYS-Model模塊對方案2設(shè)計的油底殼進行自由模態(tài)分析，找到其固有頻率值和變形特征，為進一步優(yōu)化油底殼的結(jié)構(gòu)提供理論支持。利用ANSYS-Model模塊分析得到的油底殼六階模態(tài)固有頻率如表2所示。

表2 油底殼自由模態(tài)固有頻率表Tab.2 Free mode natural frequency of oil pan

從表2可得出，油底殼的固有頻率有效避開了路面和發(fā)動機的激振頻率，且油底殼的六階固有頻率值均遠大于路面的激振頻率值和發(fā)動機的激振頻率值，油底殼的正常工作性能得到保證。

5 實驗

將重新設(shè)計的油底殼制造出樣機，并裝配在本田CBR600發(fā)動機上，通過發(fā)動機臺架實驗得到潤滑系統(tǒng)工作曲線如圖7所示，通過實車實驗得到潤滑系統(tǒng)工作曲線如圖8所示。從圖7可以看出：隨著節(jié)氣門開度由20%至30%至40%的過程中，機油壓力曲線隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)同步變化，并且機油壓力始終維持在65.9～237.0 kPa,滿足潤滑系統(tǒng)的工作要求。從圖8可以看出：隨著路況的不同，雖然節(jié)氣門開度有一定變化，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也存在不穩(wěn)定，機油壓力出現(xiàn)波動，但始終維持在62.8～226.5 kPa之間，滿足了工作要求。發(fā)動機臺架實驗和實車實驗驗證了本油底殼設(shè)計方案滿足實際的工況要求，且性能可靠。

圖7 臺架實驗潤滑系統(tǒng)工作曲線Fig.7 Curve of lubrication system at bench test

圖8 實車實驗潤滑系統(tǒng)工作曲線 Fig.8 Curve of lubrication system at real-car test

6 結(jié)論

針對本田CBR600發(fā)動機油底殼過大，重心偏高的問題，重新設(shè)計了兩個油底殼的方案，通過晃動分析得出，采用“菱形”擋板布置的油底殼減晃性能更優(yōu)。為避免油底殼與發(fā)動機和地面激勵產(chǎn)生共振，對方案2的油底殼進行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，此方案油底殼固有頻率有效避開了激勵頻率。

根據(jù)方案2加工了油底殼樣機，并裝上原集濾器，添加機油至規(guī)定刻度線，發(fā)動機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)后機油壓力和溫度滿足原裝油底殼規(guī)定值。裝配新油底殼的本田CBR600發(fā)動機搭載在某學(xué)院第三代賽車上，在近千km實車測試、比賽過程中，發(fā)動機潤滑系統(tǒng)工作良好，驗證了設(shè)計的可靠性。

[1] 王天利,張宏雙，應(yīng)世明，等.基于LMS實驗的發(fā)動機油底殼優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014,52(1)：46-48.

[2] 張道中.濕式油底殼設(shè)計[D].成都：西華大學(xué)，2012.

[3] 徐豐，崔國華，麻林川，等.FSAE賽車車架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014(4):82-86.

(責(zé)任編輯：陳雯)

ImproveddesignofoilpanforHondaCBR600enginebasedonFSC

Zha Yunfei，Zhang Lihao,Liao Yuhui,Qian Renhuan，Zeng Xinlong，Zhong Yong

(College of Mechanical and Automotive Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China)

The oil pan of Honda CBR600 engine was redesigned due to the problem of over-high gravity center.The center of gravity was lowered by 59mm.Two design schemes were compared by volume of fluid(VOF) model in which the oil pan with “diamond” shaped board has better performance in reducing sloshing.To avoid the excitation of the road and the engine,the ANSYS model was used to analyse the new oil pan.The results show that the natural frequency of the oil pan is different from the excitation frequency.The engine with the new oil pan was mounted in the third generation racing car of Fujian University of Technology.The design was confirmed to be reliable by roughly 1000 km testing and racing.

Honda CBR engine;oil pan;sloshing analysis;VOF model;optimal design

TP212.14

A

1672-4348(2017)04-0324-04

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.04.004

2017-04-18

福建省自然科學(xué)基金面上項目(2016J01204)；福建省教育廳A類項目(JA13221)

查云飛(1981-)，男，安徽懷寧人，副教授，博士，研究方向:底盤動力學(xué)及控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。