某重型柴油發(fā)動機(jī)懸置支架優(yōu)化分析

毛中欣，陳員娥，楊森

(江西五十鈴發(fā)動機(jī)有限公司，江西南昌 330200)

0 引言

某公司于2017年開發(fā)的一款載質(zhì)量4.5 t的重型柴油版皮卡汽車。該系列車型全系采用江西五十鈴4JJ1發(fā)動機(jī)，搭載格特拉克變速箱，動力總成采用常用的三點式布置方式，該產(chǎn)品所搭載的發(fā)動機(jī)在臺架試驗時，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)懸置左支架開裂現(xiàn)象。

通過分析，在零部件出圖設(shè)計時，因空氣泵零件本身質(zhì)量大，且需4個固定點，及空氣泵在發(fā)動機(jī)總體布置上的實際情況，故對空氣泵支架與發(fā)動機(jī)右支架進(jìn)行了一體化設(shè)計，在進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗時，造成了疲勞破壞，最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)懸置支架空氣泵支撐部位處的斷裂。為解決此問題，優(yōu)化了懸置支架空氣泵支撐部位的結(jié)構(gòu)和更改張緊輪總成支架加強(qiáng)筋的位置，以此來避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)，經(jīng)過理論分析及發(fā)動機(jī)臺架試驗驗證，有效地解決了該問題。

1 故障現(xiàn)象及原因分析

在臺架試驗時，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)懸置支架空氣泵支撐部位開裂現(xiàn)象，具體如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)懸置支架空氣泵部位開裂

從圖1可看出，發(fā)動機(jī)懸置支架斷裂的斷口表面為粗晶粒狀，分析認(rèn)為可能是疲勞破壞導(dǎo)致。為驗證其正確性，對該零部件進(jìn)行了相關(guān)校核計算。

1.1 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的CAE分析

在設(shè)計出圖時，因空氣泵零件本身特點及其在發(fā)動機(jī)總體布置上的實際情況，故對空氣泵支架與發(fā)動機(jī)右支架進(jìn)行了一體化設(shè)計，零部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

圖2 零部件結(jié)構(gòu)

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

從圖3應(yīng)力云圖分析結(jié)果可知,發(fā)動機(jī)懸置支架最大應(yīng)力為340 MPa，大于許用應(yīng)力320 MPa，不滿足目標(biāo)值要求，張緊輪總成支架最大應(yīng)力為136 MPa，小于許用應(yīng)力170 MPa，滿足目標(biāo)值要求。

圖3 懸置支架和張緊輪總成應(yīng)力云圖

1.2 零部件局部結(jié)構(gòu)修改后的CAE分析

在發(fā)動機(jī)懸置支架斷裂后，重新對該支架的空氣泵支撐部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 懸置支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后變化

發(fā)動機(jī)懸置支架空氣泵支撐部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對優(yōu)化后的零件進(jìn)行了CAE分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知，發(fā)動機(jī)懸置支架最大應(yīng)力由原設(shè)計的340 MPa降至為31.4 MPa，小于許用應(yīng)力320 MPa，符合目標(biāo)值要求。

圖5 懸置支架修改后的應(yīng)力云圖

綜上分析，更改零部件斷裂部位結(jié)構(gòu)后，可使發(fā)動機(jī)支架的應(yīng)力值得到有效地降低。

2 解決措施及理論驗證

根據(jù)疲勞破壞的機(jī)制可知，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)懸置支架斷裂的原因是：由于應(yīng)力過大引起的零部件疲勞破壞。根據(jù)影響疲勞極限的3個因素：(1)構(gòu)件外形；(2)構(gòu)件尺寸；(3)構(gòu)件表面質(zhì)量。同時考慮部件經(jīng)濟(jì)性的因素，制定發(fā)動機(jī)懸置支架開裂的解決措施如下：

對零部件的變形部分作局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免應(yīng)力集中——更改發(fā)動機(jī)懸置支架空氣泵支撐部位處與缸體側(cè)端面連接的結(jié)構(gòu)，取消空氣泵在支架上的左后方固定點(采取三點固定空氣泵)，同時優(yōu)化張緊輪總成支架的加強(qiáng)筋。

對解決措施進(jìn)行了理論驗證，修改后的Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 懸置支架及張緊輪總成支架修改后的Mises應(yīng)力云圖

從圖6可知：發(fā)動機(jī)懸置支架最大應(yīng)力由原設(shè)計的340 MPa降至為31.4 MPa，小于許用應(yīng)力320 MPa，滿足目標(biāo)值要求;同時優(yōu)化后的張緊輪總成支架最大應(yīng)力由原設(shè)計的136 MPa降至為106.8 MPa，小于許用應(yīng)力170 MPa，滿足目標(biāo)值要求。

從以上分析可以看出，優(yōu)化了兩零部件的結(jié)構(gòu)后，發(fā)動機(jī)懸置支架和張緊輪總成支架的最大應(yīng)力值都有不同的下降，且都符合目標(biāo)要求。

通過理論驗證，解決了發(fā)動機(jī)右懸置支架空氣泵支撐部位處開裂問題。

3 試驗驗證

優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)懸置支架經(jīng)過發(fā)動機(jī)臺架337 h的震動試驗、500 h的全速全負(fù)荷試驗無斷裂現(xiàn)象，并且自上市銷售至今，未收集到售后及終端客戶反饋類似問題。

4 結(jié)論

在進(jìn)行零部件設(shè)計時，為避免發(fā)生疲勞破壞，首先要從引起疲勞極限的3個因素入手，同時考慮零部件成本、制造工藝的要求。要降低零部件的疲勞極限，最主要的是考慮零部件的應(yīng)力影響，使零部件避免出現(xiàn)應(yīng)力過大，最終導(dǎo)致疲勞破壞的現(xiàn)象。