發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣搖臂的有限元分析

尹長城，張繼偉

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北十堰442002）

搖臂是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要構(gòu)件，其作用是將挺桿的運(yùn)動(dòng)傳遞給氣門，搖臂在載荷作用下將產(chǎn)生彎曲變形，故進(jìn)排氣搖臂在工作過程中應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度[1]。某車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣搖臂原用材料為40Cr或QT500，為降低重量，現(xiàn)將搖臂設(shè)計(jì)為鋁合金材質(zhì)，需要搖臂在服役階段應(yīng)力和變形水平較低。本文中利用有限元法對(duì)搖臂進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和分析。

1 進(jìn)排氣搖臂有限元靜力分析

3種材料進(jìn)排氣搖臂均為各向同性材料，其材料參數(shù)見表1，搖臂的有限元模型在Hyperworks 軟件中完成，對(duì)搖臂進(jìn)行幾何清理后，采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元建立網(wǎng)格模型。單元尺寸1 mm。排氣搖臂的單元數(shù)184216，節(jié)點(diǎn)數(shù)289103；進(jìn)氣搖臂單元數(shù)157323；節(jié)點(diǎn)數(shù)247361。配氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)，支點(diǎn)處是固定鉸鏈，整個(gè)結(jié)構(gòu)通過兩端外力作用保持平衡[2]。但有限元模型不能在結(jié)構(gòu)兩端施加外力，這樣處理會(huì)使搖臂模型繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而具有剛體位移。搖臂軸孔利用剛性區(qū)，在主節(jié)點(diǎn)約束5個(gè)自由度，釋放軸孔處繞孔軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，施加氣閥軛接觸約束垂直面的約束，如圖1所示。這種處理方法只消除搖臂結(jié)構(gòu)6個(gè)剛體位移，對(duì)應(yīng)力和位移影響較小。

表1 材料參數(shù)

圖1 搖臂邊界條件示意圖

圖2 搖臂Mises應(yīng)力或變形水平較高位置描述

在推桿與搖臂接觸處施加軸向力，四沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸向力隨時(shí)間變化，此處分析受力最大的情況。由Adams軟件動(dòng)力學(xué)仿真得到推力桿在一個(gè)工作周期下的受力（曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)720°），當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)322.8°時(shí)，排氣搖臂的推力桿受力為6938 N；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)350.1°時(shí)，進(jìn)氣搖臂的推力桿受力為3557N，有限元分析分別按排氣搖臂受力7000 N；進(jìn)氣搖臂受力3600 N 進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)有限元計(jì)算，得到進(jìn)排氣搖臂的Mises 應(yīng)力（以下簡稱應(yīng)力）分布和變形分布。應(yīng)力水平高的區(qū)域在搖臂模型的位置1～4，如圖2和表2所示。排氣搖臂最大應(yīng)力發(fā)生在位置4；進(jìn)氣搖臂最大應(yīng)力發(fā)生在位置2；進(jìn)排氣搖臂最大位移都在位置5。由表2可知，3種材料的應(yīng)力結(jié)果幾乎不變，這符合彈性力學(xué)的基本理論[3-4]。且工作應(yīng)力均小于其屈服極限，滿足強(qiáng)度。位移結(jié)果表明彈性模量越大，位移越小，剛度越好。圖3給出了鋁合金材質(zhì)的進(jìn)排氣搖臂應(yīng)力和位移云圖。

表2 進(jìn)排氣搖臂靜力分析結(jié)果

圖3 鋁合金材質(zhì)進(jìn)排氣搖臂應(yīng)力和位移云圖

2 鋁合金材質(zhì)的搖臂分析

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化分析

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思路是將如何得到最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為在給定設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)如何得到結(jié)構(gòu)最優(yōu)材料分布的問題。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分析，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特征進(jìn)行全面分析，因此對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)可以更具有針對(duì)性[5]。

本文中利用結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化并不是為了減重，而是為了得到較好的承載構(gòu)架，獲得思路并進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，使搖臂的強(qiáng)度和剛度進(jìn)一步提高。圖4a所示的搖臂模型比原結(jié)構(gòu)增加了材料，淺色部分為設(shè)計(jì)空間，深色部分為非設(shè)計(jì)空間，拓?fù)鋬?yōu)化只可在設(shè)計(jì)空間減少材料。優(yōu)化目標(biāo)為重量最小，進(jìn)行位移和應(yīng)力約束后進(jìn)行有限元計(jì)算，進(jìn)排氣搖臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4b～c所示。

2.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以減小搖臂應(yīng)力水平為目的。針對(duì)鋁合金材質(zhì)的進(jìn)排氣搖臂，提出幾種改進(jìn)方案。

針對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)，采取了2種措施降低應(yīng)力水平：1）增大搖臂外輪廓的弧度（本次計(jì)算主要修改了位置1和位置3的弧度）；2）增加加強(qiáng)肋的尺寸。

排氣搖臂3種改進(jìn)方案如圖4b所示：改進(jìn)方案1 即增大排氣搖臂位置1處的弧度，在位置2處填充材料；改進(jìn)方案2 即增大排氣搖臂位置1處的弧度，在位置2處填充材料，增加凹槽上下2處的厚度（位置3及其對(duì)面），厚度增加到6 mm；改進(jìn)方案3 即改變1處的圓角半徑，改為5 mm，位置2處增加材料，加強(qiáng)肋尺寸增大到6mm。

進(jìn)氣搖臂所受力較小，此處提出1種改進(jìn)方案如圖7所示，即增大位置1處的弧度。

各種改進(jìn)方案的有限元分析如表3所示。從計(jì)算結(jié)果看，各種改進(jìn)方案都有效地改善了應(yīng)力和位移水平。其中排氣搖臂的改進(jìn)方案3和進(jìn)氣搖臂的改進(jìn)方案效果明顯。

圖4 搖臂模型及拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

表3 進(jìn)排氣搖臂改進(jìn)方案的有限元靜力分析結(jié)果

3 進(jìn)排氣搖臂改進(jìn)前后的重量對(duì)比

表4為進(jìn)排氣搖臂原方案和改進(jìn)方案的重量對(duì)比，其中QT500的密度為7250 kg·m-3；40Cr的密度為7850 kg·m-3；鋁合金7075的密度為2800 kg·m-3。

結(jié)合表3，選排氣搖臂改進(jìn)方案3為最優(yōu)方案，則相比QT500減重59%；相比40Cr減重62%。進(jìn)氣搖臂改進(jìn)方案相比QT500減重60%；相比40Cr減重63%。

表4 進(jìn)排氣搖臂改進(jìn)前后的重量對(duì)比kg

4 結(jié)束語

利用Hyperworks軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣搖臂進(jìn)行了有限元計(jì)算分析和優(yōu)化，得到以下結(jié)論：1）進(jìn)排氣搖臂的材料采用鋁合金材質(zhì)，降低了重量，且滿足強(qiáng)度。2）利用拓?fù)鋬?yōu)化可為構(gòu)件的二次設(shè)計(jì)提供思路。3）改進(jìn)方案的有限元分析應(yīng)力和變形進(jìn)一步得到降低，排氣搖臂改進(jìn)方案3應(yīng)為首選。

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