吳宇波，陳陽(yáng)

(上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

隨著國(guó)六排放法規(guī)的實(shí)施與車輛動(dòng)力性能的增強(qiáng)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力和氣缸內(nèi)燃燒溫度大幅度上升，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鑄鋁活塞在高爆發(fā)壓力和高燃燒溫度下，機(jī)械強(qiáng)度下降，容易發(fā)生熔頂、開裂等失效故障。為了避免活塞失效，越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)機(jī)采用鍛鋼活塞，以提高活塞的機(jī)械性能，避免活塞產(chǎn)生失效故障。

雖然鍛鋼活塞具有高彈性模量、優(yōu)良而穩(wěn)定的高溫性能和較低的線膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[1]，但需要有更多的機(jī)油進(jìn)行冷卻。通常，相對(duì)于鑄鋁活塞，鍛鋼活塞的冷卻機(jī)油流量增加了60%～70%，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的性能要求更高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，鍛鋼活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力高于鑄鋁活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力，導(dǎo)致機(jī)油濾清器罐體破裂失效的風(fēng)險(xiǎn)增加。在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)階段，應(yīng)評(píng)估和驗(yàn)證冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)高機(jī)油壓力條件下的機(jī)油濾清器罐體的可靠性。當(dāng)對(duì)機(jī)油濾清器罐體同時(shí)加載振動(dòng)載荷和機(jī)油壓力載荷時(shí)，常規(guī)的材料強(qiáng)度分析方法往往不能得出正確的計(jì)算分析結(jié)果，因此需要采用其他分析方法對(duì)機(jī)油濾清器罐體強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1 概述

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)

某型號(hào)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過(guò)程中，首次采用鍛鋼活塞設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)加大了機(jī)油泵冷卻機(jī)油流量。該型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)

1.2 機(jī)油濾清器罐體破裂故障

機(jī)油濾清器罐體是薄壁金屬板材，通過(guò)落料、多次沖壓拉伸、修邊等多種工藝制造而成。機(jī)油濾清器是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零部件，其作用是過(guò)濾發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中的各種雜質(zhì)，維持機(jī)油清潔，延長(zhǎng)機(jī)油使用壽命，確保發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副零件正常工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)規(guī)范參數(shù)如表2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)工況如圖1所示。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)時(shí)，多次出現(xiàn)機(jī)油濾清器在使用40～70 h后發(fā)生罐體破裂的故障，破裂位置均位于罐體下端區(qū)域，如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)測(cè)試工況

圖2 機(jī)油濾清器罐體破裂的情況

2 故障分析

該款機(jī)油濾清器已經(jīng)大批量應(yīng)用于多種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，但此故障為首次發(fā)生，因此初步判斷此次罐體破裂與發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用邊界差異有關(guān)，主要體現(xiàn)為罐體振動(dòng)載荷的差異和最大機(jī)油壓力的差異。雖然機(jī)油濾清器在開發(fā)階段初期要分別進(jìn)行液壓脈沖疲勞試驗(yàn)和振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，但受到設(shè)計(jì)驗(yàn)證條件限制，無(wú)法在壓力脈沖和振動(dòng)負(fù)載兩種因素同時(shí)作用下開展罐體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。針對(duì)機(jī)油濾清器在冷熱沖擊試驗(yàn)中罐體破裂問(wèn)題，采用臺(tái)架試驗(yàn)與仿真計(jì)算相結(jié)合的方式，分析了不同邊界條件對(duì)機(jī)油濾清器罐體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和罐體破裂的影響，確定罐體破裂的根本原因，并對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

在仿真計(jì)算前，需測(cè)量罐體內(nèi)的機(jī)油壓力和罐體振動(dòng)負(fù)荷，并作為邊界條件用于罐體強(qiáng)度計(jì)算。

2.1 機(jī)油壓力變化對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、機(jī)油泵流量有關(guān)。對(duì)于齒輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)油泵，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，機(jī)油壓力越大；發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度越低，機(jī)油粘度越高，機(jī)油壓力越大；機(jī)油泵流量越大，機(jī)油壓力越大。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)工況每6 min循環(huán)1次，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在600～2 100 r/min范圍內(nèi)循環(huán)變化，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度在38～105 ℃范圍內(nèi)循環(huán)變化，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度控制在62～95 ℃，機(jī)油壓力隨著試驗(yàn)工況循環(huán)變化。

在研制開發(fā)該款發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，因?yàn)殄戜摶钊睦鋮s需求，機(jī)油泵設(shè)計(jì)流量從165 L/min提升至200 L/min，發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)過(guò)程中的最高機(jī)油壓力為640 kPa，比相同試驗(yàn)條件下同系列鑄鋁活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(機(jī)油泵流量未做提升設(shè)計(jì))的機(jī)油壓力高約100 kPa，因此機(jī)油濾清器罐體破裂的風(fēng)險(xiǎn)加大。鍛鋼活塞發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)時(shí)的機(jī)油壓力情況如圖3所示。同系列鑄鋁活塞發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)時(shí)的機(jī)油壓力情況如圖4所示。

圖3 鍛鋼活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的冷熱沖擊試驗(yàn)

圖4 同系列鑄鋁活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的冷熱沖擊試驗(yàn)

2.2 機(jī)油濾清器臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試

機(jī)油濾清器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行而發(fā)生振動(dòng)。通過(guò)模態(tài)分析，機(jī)油濾清器模態(tài)滿足最大自振頻率要求，無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn)。但是，當(dāng)罐體表面的振動(dòng)載荷過(guò)大時(shí)，其應(yīng)力超過(guò)了罐體材料應(yīng)許應(yīng)力，罐體則會(huì)發(fā)生破裂漏油故障。因此，機(jī)油濾清器振動(dòng)載荷過(guò)大，也是造成機(jī)油濾清器罐體破裂的潛在原因之一。該款機(jī)油濾清器的設(shè)計(jì)允許振動(dòng)沖擊為任何方向不超過(guò)10.00g(g為重力加速度，下同)。通過(guò)機(jī)油濾清器臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，罐體破裂處的最大振動(dòng)沖擊為8.12g，接近于設(shè)計(jì)限值，罐體破裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。機(jī)油濾清器臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試的測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。冷熱沖擊工況下機(jī)油濾清器各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖5 機(jī)油濾清器振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

表3 各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果

3 仿真計(jì)算分析

3.1 等效塑性應(yīng)變

常規(guī)材料強(qiáng)度分析方法是基于測(cè)量零件的振動(dòng)載荷或壓力載荷，通過(guò)計(jì)算材料的米塞斯應(yīng)力和疲勞安全系數(shù)，與材料強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而判斷材料強(qiáng)度是否滿足使用要求。但是如果零件在制造過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次塑性變型，且在實(shí)際使用中同時(shí)受到多種載荷影響，這時(shí)常規(guī)方法往往無(wú)法得出正確的分析結(jié)果，因此需要采用其他計(jì)算分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)機(jī)油濾清器罐體強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析時(shí)，采用了等效塑性應(yīng)變的分析方法。材料經(jīng)強(qiáng)化后屈服面的位置計(jì)算可借鑒等效應(yīng)力的第4強(qiáng)度理論計(jì)算方法，只需將應(yīng)力改成應(yīng)變即可。通常在試驗(yàn)中得到的是材料單向拉伸時(shí)的彈性和塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，而在實(shí)際情況中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)往往是空間應(yīng)力，應(yīng)力屈服時(shí)也是空間屈服。通過(guò)計(jì)算等效塑性應(yīng)變可找到塑性屈服后應(yīng)變狀態(tài)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力和此時(shí)的空間應(yīng)力狀態(tài)[2]。對(duì)于零件的低周疲勞失效和零件多次塑性拉伸成型后出現(xiàn)的疲勞斷裂，可通過(guò)對(duì)等效塑性應(yīng)變的分析找到問(wèn)題的根源。

3.2 模型構(gòu)建

利用Hypermesh軟件繪制網(wǎng)格，并根據(jù)機(jī)油濾清器結(jié)構(gòu)狀態(tài)，采用ABAQUS軟件對(duì)機(jī)油濾清器結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行等效塑性應(yīng)變分析計(jì)算。利用Hypermesh軟件繪制的網(wǎng)格數(shù)據(jù)見表4，網(wǎng)格模型如圖6所示。ABAQUS軟件具有多種材料數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠模擬許多工程材料的性能，并能夠模擬任何的單元幾何形態(tài)。ABAQUS軟件不僅可以模擬很多結(jié)構(gòu)問(wèn)題，而且可以模擬各類工程領(lǐng)域的問(wèn)題[3]。

表4 機(jī)油濾清器仿真計(jì)算網(wǎng)格數(shù)據(jù)

圖6 機(jī)油濾清器計(jì)算網(wǎng)格模型

3.3 邊界參數(shù)

對(duì)于機(jī)油濾清器仿真計(jì)算的邊界參數(shù)包括材料屬性、質(zhì)量、振動(dòng)加速度、機(jī)油壓力、機(jī)油濾清器罐體壁厚等，具體材料屬性見表5。罐體結(jié)構(gòu)為圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)罐體X軸、Y軸和Z軸方向重力加速度采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中最具破壞性的測(cè)試結(jié)果，并設(shè)定振動(dòng)安全系數(shù)為1.2，最終罐體計(jì)算時(shí)X軸方向和Y軸方向最大加速度確定為10.00g，Z軸方向最大加速度確定為7.40g。該機(jī)油濾清器仿真計(jì)算邊界參數(shù)見表6。

表5 機(jī)油濾清器罐體材料屬性

表6 仿真計(jì)算邊界參數(shù)

3.4 仿真結(jié)果與改進(jìn)方案

由于機(jī)油濾清器罐體是薄壁件，外殼壁厚不足1.00 mm。材料經(jīng)多次沖壓成型后，金屬材料發(fā)生塑性變形，在振動(dòng)及機(jī)油壓力的共同作用下，冷熱沖擊試驗(yàn)過(guò)程中的材料塑性變形會(huì)不斷積累，導(dǎo)致罐體產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致罐體破裂。因此，本研究的仿真計(jì)算采用等效塑性應(yīng)變?chǔ)舙eeq評(píng)價(jià)的方式對(duì)罐體疲勞破裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。本研究參考AVL公司等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)價(jià)：εpeeq>0.200%，薄壁結(jié)構(gòu)存在疲勞破裂的風(fēng)險(xiǎn)；εpeeq<0.200%，薄壁結(jié)構(gòu)使用安全。

本次仿真計(jì)算對(duì)象為兩種壁厚的機(jī)油濾清器罐體，原失效件壁厚為0.63 mm，改進(jìn)款罐體壁厚為0.75 mm，機(jī)油壓力范圍為550～750 kPa，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 機(jī)油濾清器罐體仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論。

(1)當(dāng)機(jī)油壓力低于600 kPa時(shí)，壁厚為0.63 mm的機(jī)油濾清器罐體和壁厚為0.75 mm的機(jī)油濾清器罐體εpeeq均小于0.200%，罐體均安全無(wú)破裂風(fēng)險(xiǎn)。

(2)當(dāng)機(jī)油壓力達(dá)到和超過(guò)600 kPa時(shí)，壁厚為0.63 mm的機(jī)油濾清器罐體εpeeq超過(guò)0.200%，存在破裂的風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)油壓力越高，罐體破裂風(fēng)險(xiǎn)越大；壁厚為0.75 mm的機(jī)油濾清器罐體εpeeq小于0.200%，罐體安全且無(wú)破裂風(fēng)險(xiǎn)。

(3)當(dāng)機(jī)油壓力達(dá)到750 kPa時(shí)，壁厚為0.75 mm的機(jī)油濾清器罐體依舊安全無(wú)破裂風(fēng)險(xiǎn)。

(4)壁厚為0.63 mm的機(jī)油濾清器罐體最容易出現(xiàn)破裂的部位位于罐體下端，與實(shí)際破裂的位置基本吻合，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。

4 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，壁厚為0.75 mm的機(jī)油濾清器罐體在實(shí)際使用條件下無(wú)破裂風(fēng)險(xiǎn)。將罐體壁厚為0.75 mm的機(jī)油濾清器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了多輪冷熱沖擊試驗(yàn)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到2 000 h，并完成多輪整車耐久考核，均未出現(xiàn)機(jī)油濾清器罐體破裂的問(wèn)題，證明了該改進(jìn)措施的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，在新的機(jī)油壓力條件下，原機(jī)油濾清器罐體可能存在強(qiáng)度不足，進(jìn)而導(dǎo)致罐體破裂。針對(duì)此問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)罐體進(jìn)行等效塑性應(yīng)變分析，計(jì)算在新機(jī)油壓力條件下的機(jī)油濾清器罐體強(qiáng)度要求。

針對(duì)通過(guò)金屬材料塑性變形成型制造的機(jī)油濾清器類薄壁零件，在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，可采用等效塑性應(yīng)變分析，有效評(píng)估不同邊界條件下薄壁零件的破裂風(fēng)險(xiǎn)，也可以對(duì)已破裂失效的薄壁零件進(jìn)行故障仿真還原，找到問(wèn)題發(fā)生的根本原因，并通過(guò)該方法驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性。