機(jī)油盤(pán)總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭文月，蒙亦光，周 全，曾科勛

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州545005）

機(jī)油盤(pán)總成包括機(jī)油盤(pán)本體與放油螺栓[1]，裝配于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱下部，主要功用為封閉曲軸箱并與之組成儲(chǔ)油槽，防止混入雜質(zhì)，并收集和儲(chǔ)存由汽油機(jī)各潤(rùn)滑部件回流的潤(rùn)滑油，散去部分熱量，防止?jié)櫥脱趸?/p>

目前機(jī)油盤(pán)本體內(nèi)腔存在設(shè)計(jì)過(guò)多的縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋形成部分封閉區(qū)域以致部分油液無(wú)法流出與底部放油孔設(shè)計(jì)過(guò)高以致油液無(wú)法排凈的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致混合油液油品下降，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)零部件潤(rùn)滑效果，零件使用壽命縮短。故需對(duì)機(jī)油盤(pán)總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)油盤(pán)總成現(xiàn)狀

此型發(fā)動(dòng)機(jī)是由柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司自主研發(fā)的首款渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率大、油耗低、轉(zhuǎn)速高、噪音小、排放達(dá)到國(guó)ⅥB排放標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于MPV、SUV及轎車(chē)市場(chǎng)。

匹配該型發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油盤(pán)本體采用鋁合金材質(zhì)并通過(guò)高壓鑄造成型[2]，前期內(nèi)部腔體設(shè)計(jì)（如圖1）存在過(guò)多縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋，目的在于增加機(jī)油盤(pán)強(qiáng)度以及剛度、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。但加強(qiáng)筋的過(guò)多交叉營(yíng)造出較多封閉區(qū)域，以致后期更換油液形成阻礙，最終導(dǎo)致無(wú)法排凈。此外，雖然機(jī)油盤(pán)的底面設(shè)計(jì)為與水平面夾角傾斜10°，但放油孔設(shè)計(jì)與內(nèi)腔底面平行，同時(shí)放油孔下邊沿與內(nèi)腔底部有高度差（如圖2），最終導(dǎo)致油液無(wú)法完全釋放。

圖1 俯視圖

圖2 局部視圖

2 設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化

2.1 機(jī)油盤(pán)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鑒于前期設(shè)計(jì)的機(jī)油盤(pán)本體主要缺陷為未全面考量潤(rùn)滑油排放問(wèn)題，進(jìn)而出現(xiàn)混合油液油品不良，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑效果差，縮短零件使用壽命，故將上述兩個(gè)部位進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行模態(tài)分析驗(yàn)證。

2.1.1 機(jī)油盤(pán)本體內(nèi)腔加強(qiáng)筋重新設(shè)計(jì)方案

（1）機(jī)油盤(pán)本體內(nèi)腔新型加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用單線、矮型方案（如圖3）。首先，為保證內(nèi)腔本體的強(qiáng)度、剛性，必須采用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。其次，內(nèi)腔分布若干圓柱狀凸起，其頂面有擋油板安裝螺栓孔，故該加強(qiáng)筋需連接該凸起。最后，單線、矮型結(jié)構(gòu)，不會(huì)形成交叉網(wǎng)狀，油液流通順暢、無(wú)障礙；同時(shí)加強(qiáng)筋大端厚度會(huì)減小，降低縮松、氣孔的風(fēng)險(xiǎn)。采用該結(jié)構(gòu)的后續(xù)工作優(yōu)勢(shì)還有，內(nèi)腔數(shù)模簡(jiǎn)化，相應(yīng)模具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，減少人力成本，降低零件單價(jià)等。

（2）機(jī)油盤(pán)底部增加橫向貫穿式加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方案。首先，簡(jiǎn)化內(nèi)腔加強(qiáng)筋機(jī)油盤(pán)本體的強(qiáng)度一定會(huì)相應(yīng)下降；此外，在不涉及機(jī)油盤(pán)本體外形更改的前提下，底部增加貫穿式加強(qiáng)筋是最優(yōu)質(zhì)的選擇。該設(shè)計(jì)狀態(tài)，后續(xù)模態(tài)分析中驗(yàn)證成功，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 俯視圖

圖4 仰視圖

2.1.2 機(jī)油盤(pán)本體放油孔重新設(shè)計(jì)方案

機(jī)油盤(pán)本體放油孔新型設(shè)計(jì)采用最低傾斜導(dǎo)流式設(shè)計(jì)方案。首先，該孔采用與機(jī)油盤(pán)本體內(nèi)腔底面水平傾斜10°設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)方便放油螺栓擰松的同時(shí)油液便依靠自由重力外流，流速快，便于快速排出；此外，該孔放置于機(jī)油盤(pán)內(nèi)腔的最低平面，消除高度差，解決油液無(wú)法排凈的難題。

圖5 放油孔剖視圖

3 模態(tài)分析驗(yàn)證

3.1 CAE軟件使用及模型化簡(jiǎn)述

通過(guò)UG完成三維數(shù)模優(yōu)化，使用SimLab前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類(lèi)型均為C3D10M，網(wǎng)格尺寸為3 mm。使用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行求解及后處理。

3.2 邊界條件簡(jiǎn)述

（1）邊界約束：固定約束機(jī)油盤(pán)本體頂面、端面的6個(gè)自由度。

（2）藍(lán)色質(zhì)心點(diǎn)為壓縮機(jī)，橘黃色區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)壓縮機(jī)懸掛點(diǎn)與壓縮機(jī)建立剛性單元Rbe2點(diǎn)，完成綁定連接。

圖6 邊界約束圖

3.3 模型與材料物理性能輸入

由于僅做有限元模態(tài)分析，只需要賦予材料的物理性能即可。從材料庫(kù)中選擇好材料（見(jiàn)表1），并修改好材料的具體物理性能參數(shù)，將其材料物理性能賦予機(jī)油盤(pán)本體。

表1 材料物理性能表

3.4 模態(tài)分析結(jié)果與簡(jiǎn)述

（1）機(jī)油盤(pán)本體一階固有頻率為302.42 Hz（如圖7所示）。

圖7 固有頻率圖

（2）機(jī)油盤(pán)本體一階振型、一階應(yīng)變能（如圖8、9所示）。

圖8 一階振型圖

圖9 一階應(yīng)變能圖

（3）機(jī)油盤(pán)本體二階振型、二階應(yīng)變能（如圖10、11所示）

圖10 二階振型圖

圖11 二階應(yīng)變能

（4）機(jī)油盤(pán)本體三階振型、三階應(yīng)變能（如圖12、13所示）

圖12 三階振型圖

圖13 三階應(yīng)變能

3.5 模態(tài)分析結(jié)果簡(jiǎn)述

機(jī)油盤(pán)本體固有頻率一階數(shù)值最小，只需考量一階固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率比較即可。優(yōu)化后機(jī)油盤(pán)本體一階固有頻率為 302.42 Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)6 000 r/min激振頻率為200 Hz，預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.2～1.4，故優(yōu)化后的機(jī)油盤(pán)固有頻率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。此外，與發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率最接近的一階應(yīng)變能，無(wú)明顯位移與變形，符合設(shè)計(jì)需求。綜合考量，優(yōu)化后的機(jī)油盤(pán)油液釋放的便捷性，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油盤(pán)總成，通過(guò)對(duì)機(jī)油盤(pán)本體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即簡(jiǎn)化內(nèi)腔加強(qiáng)筋，外部增加貫穿式加強(qiáng)筋，保證了本體的強(qiáng)度與剛度并消除了內(nèi)腔形成封閉區(qū)域阻隔油液排凈的風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)計(jì)最低傾斜導(dǎo)流式放油孔，解決油孔位置過(guò)高，導(dǎo)致部分油液無(wú)法排完的風(fēng)險(xiǎn)。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，無(wú)明顯外形結(jié)構(gòu)變更，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。