一種機(jī)油加注口的設(shè)計(jì)
——整車匹配零件設(shè)計(jì)實(shí)例及驗(yàn)證

龐承可，韋家襯，楊其悅，梁宇寧

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西柳州545005）

0 引言

量產(chǎn)狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)匹配新車型時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)艙及整車接口的不同，常需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外圍管線、接口等重新布置設(shè)計(jì)，以適應(yīng)整車匹配的要求。

本文中LJ469Q發(fā)動(dòng)機(jī)匹配某型號(hào)微型卡車，該車的主駕駛位機(jī)艙蓋為封閉式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)（如圖1），無法開啟。原發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油加注口在主駕駛位的下方，直接匹配使用會(huì)給整車保養(yǎng)加注機(jī)油帶來不便。在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)構(gòu)的要求下，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油加注口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

本文將從設(shè)計(jì)要求、間隙勘測(cè)、方案制定、分析及驗(yàn)證等方面對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1 某微卡發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的匹配設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的振動(dòng)，避免磕碰，發(fā)動(dòng)機(jī)邊界與整車邊界的最小設(shè)計(jì)間隙應(yīng)不小于25 mm～30mm[1]（本文中最小設(shè)計(jì)間隙要求為30 mm）。同時(shí)，新設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮產(chǎn)品的裝配工藝、成本控制、材料選用、耐久性等多方面的因素，本文的設(shè)計(jì)要求如表1所列。

表1 本文機(jī)油加注口的設(shè)計(jì)要求

2 機(jī)艙間隙勘測(cè)

本文中發(fā)動(dòng)機(jī)可增加機(jī)油加注口的位置有：氣缸蓋罩和正時(shí)鏈盒兩處（如圖2），設(shè)計(jì)的開口需能保證加注機(jī)油時(shí)機(jī)油能夠順利流入機(jī)油盤[2]。

圖2 副駕駛機(jī)艙蓋方向視圖

在制定具體的設(shè)計(jì)方案前，本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)艙中布置的情況，利用三維軟件對(duì)數(shù)模相關(guān)位置進(jìn)行勘察與測(cè)量（如圖3），以充分了解機(jī)艙的空間。相關(guān)的測(cè)量結(jié)果如表2所示，從機(jī)艙的間隙測(cè)量結(jié)果可以看出：（1）氣缸蓋罩和正時(shí)鏈盒的位置距離副駕駛位機(jī)艙蓋都較遠(yuǎn)；（2）氣缸蓋罩頂部的間隙最??；（3）發(fā)電機(jī)頂部的空間充裕。

表2 機(jī)艙間隙測(cè)量結(jié)果

圖3 機(jī)艙間隙測(cè)量示意圖

3 方案制定及建模

考慮到正時(shí)鏈盒內(nèi)部有較復(fù)雜的帶壓力的油道，開口避讓比較困難，且氣缸蓋罩在發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配順序較靠后，更便于今后的維修保養(yǎng)，故優(yōu)先選擇在氣缸蓋罩上設(shè)計(jì)加油口。結(jié)合機(jī)艙的間隙測(cè)量結(jié)果，采用三維設(shè)計(jì)軟件建模，得到以下方案（如圖4）：

（1）從氣缸蓋罩處設(shè)計(jì)一根鋼管延伸至副駕駛位機(jī)艙蓋的正下方；

（2）氣缸蓋罩與延伸鋼管采用法蘭聯(lián)接，中間加耐油密封墊密封，法蘭用兩顆M6螺栓緊固；

（3）機(jī)油加注口部件選用鋼質(zhì)材料機(jī)加而成，并與鋼管焊接在一起；

（4）延伸鋼管焊接一支架，用于支撐；

（5）加油口蓋選用現(xiàn)有的“一字?jǐn)Q”產(chǎn)品.

圖4 設(shè)計(jì)方案圖示

各零部件擬選用的材料及相關(guān)屬性[3]見表3.

表3 材料及相關(guān)屬性

4 分析及驗(yàn)證

4.1 間隙校核

利用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)數(shù)模進(jìn)行間隙測(cè)量，以校驗(yàn)方案是否能符合設(shè)計(jì)間隙的要求。間隙主要包括兩方面：一是發(fā)動(dòng)機(jī)本體零件之間的間隙；二是發(fā)動(dòng)機(jī)與整車（機(jī)艙邊界）之間的間隙。

4.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)零件間的間隙

在發(fā)動(dòng)機(jī)的零件設(shè)計(jì)中，一般要求零件間的間隙不小于5 mm，以避免零件之間的碰撞和摩擦。如因布置空間受限無法滿足，則應(yīng)采取必要的固定措施或防摩擦措施。結(jié)合零件布置的情況，本文主要校核的間隙如圖5，測(cè)量結(jié)果匯總見表4.

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)零件間隙測(cè)量示意圖

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)零件間隙測(cè)量結(jié)果

從以上測(cè)量結(jié)果看，法蘭—曲軸箱通氣膠管及支架—節(jié)氣門體出水膠管的間隙小于5 mm，其他的間隙滿足要求。為避免曲軸箱通氣膠管及節(jié)氣門體出水膠管在振動(dòng)中摩擦破損，該設(shè)計(jì)方案需對(duì)膠管外部增加防摩擦護(hù)套處理[4]（如圖6）。

圖6 膠管外部加裝防摩擦護(hù)套

4.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)艙邊界的間隙

從之前的間隙勘測(cè)的情況看，機(jī)艙間隙最小的地方出現(xiàn)在氣缸蓋罩上方，故氣缸蓋罩新增法蘭開口的位置需要特別注意。另外，機(jī)油加注口通過長(zhǎng)距離的管道延伸至副駕駛位機(jī)艙蓋，機(jī)油口蓋頂部到機(jī)艙蓋的間隙也是需要校核的重點(diǎn)。相關(guān)位置測(cè)量情況如圖7，測(cè)量結(jié)果匯總見表5.

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的間隙測(cè)量示意圖

表5 機(jī)艙間隙測(cè)量結(jié)果

結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)艙邊界的間隙滿足不小于30 mm的設(shè)計(jì)要求。

4.2 CAE分析

利用ABAQUS軟件對(duì)本文的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模態(tài)和強(qiáng)度分析，作為輔助手段，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性[5]。

導(dǎo)入數(shù)模建立有限元網(wǎng)格單元，本文所有模型均采用C3D4單元。本文的分析重點(diǎn)在加油延伸管總成及氣缸蓋罩新增法蘭口，為計(jì)算簡(jiǎn)便，氣缸蓋罩只截取部分模型，法蘭螺栓、密封墊和加油口蓋忽略不計(jì)。分析模型的材料及屬性按表3導(dǎo)入。

4.2.1 零件模態(tài)分析

對(duì)模型進(jìn)行10階的模態(tài)分析。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速6 000 rpm時(shí)，相應(yīng)激振頻率為200 Hz，本文設(shè)定安全系數(shù)為1.2，則極限頻率為240 Hz.

如圖8結(jié)果所示，1階頻率260.86 Hz大于240 Hz（1~10階振型均大于240 Hz）。說明該模型完全避開發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率，能避免產(chǎn)生共振。

圖810 階模態(tài)分析結(jié)果截圖

4.2.2 零件強(qiáng)度分析

對(duì)模型加載20 g重力加速度，在振動(dòng)工況的作用下，延伸鋼管靠近法蘭處出現(xiàn)最大應(yīng)力值為30.64 MPa（如圖9），小于延伸鋼管材料的屈服強(qiáng)度245 MPa.在氣缸蓋罩模型中，法蘭接口圓角處出現(xiàn)最大應(yīng)力17.85 MPa，小于氣缸蓋罩材料的屈服強(qiáng)度170 MPa.

分析結(jié)果說明，零件的結(jié)構(gòu)及選用的材料可靠，強(qiáng)度滿足要求。

圖9 強(qiáng)度分析結(jié)果云圖

4.3 臺(tái)架試驗(yàn)及效果驗(yàn)證

零件按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行開發(fā)，樣件檢測(cè)合格后，裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行臺(tái)架400 h耐久試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證其裝配效果及加油效果，如圖10所示。

圖10 樣件在臺(tái)架上

試驗(yàn)情況：樣件完成了400 h臺(tái)架耐久試驗(yàn)，期間沒有出現(xiàn)斷裂、變形、漏油等情況。樣件裝配過程簡(jiǎn)易，基本不影響原機(jī)零件的裝配順序，裝配完成后零件之間無干涉的情況；機(jī)油加注的過程流暢，無堵塞現(xiàn)象。

驗(yàn)證結(jié)果表明，零件的功能和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過分析與驗(yàn)證，本文所述的機(jī)油加注口設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易可靠，設(shè)計(jì)緊湊，充分滿足整車間隙和對(duì)加油功能的要求，很好地解決了某型號(hào)微型卡車加注機(jī)油不方便的問題。在此設(shè)計(jì)實(shí)例中，可以得到一些經(jīng)驗(yàn)：

（1）設(shè)計(jì)前，先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的間隙進(jìn)行勘測(cè)，有助于提高設(shè)計(jì)效率和方案的形成；

（2）CAE分析手段，可以給零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料選擇方面提供很好的參考；

（3）在可靠性驗(yàn)證方面，臺(tái)架耐久試驗(yàn)仍然是驗(yàn)證新零件最直接有效的手段。