某車型發(fā)動機正時罩蓋疲勞強度分析和優(yōu)化設計

周大權，陳超，林樹軍，韓晶，龔建平,張剛健，胡景彥

(1.浙江錢江摩托股份有限公司研究院，浙江溫嶺 317500;2.寧波市鄞州德來特技術有限公司，浙江寧波 315100)

0 引言

發(fā)動機懸置主要功能是為發(fā)動機提供支撐和限位，同時隔離發(fā)動機自身及不平路面?zhèn)鬟f的振動，是動力總成的核心承載部件。由于車輛運動工況及路況的復雜性，對于目前懸置系統(tǒng)的可靠性開發(fā)，需要結合CAE仿真分析以及強化道路可靠性試驗。

某車型在比利時路面進行道路試驗時，發(fā)動機正時罩蓋右懸置支架安裝點發(fā)生斷裂失效，嚴重影響車輛的安全性。因此，采用有限元方法，對正時罩蓋原方案和優(yōu)化方案，進行強度、疲勞分析，改進設計缺陷，解決失效問題。

1 正時罩蓋強度分析

1.1 有限元分析模型

正時罩蓋有限元分析模型包括：正時罩蓋、右懸置支架、部分缸體、部分缸蓋、螺栓、螺母、雙頭螺柱，見圖1。右懸置支架通過螺栓和雙頭螺柱安裝在正時罩蓋上。

有限元模型主要采用二階四面體網(wǎng)格，螺栓、螺母、雙頭螺柱采用一階六面體網(wǎng)格。為保證分析精度，正時罩蓋以及懸置支架關鍵區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為1～3 mm。缸體、缸蓋等網(wǎng)格尺寸為5～8 mm，以避免過長計算時間。

1.2 材料屬性

缸體材料為HT250，缸蓋材料為AlSi7Mg，正時罩蓋材料為ADC12，懸置支架材料為QT450，其余均為Steel，具體材料屬性見表1所示。

圖1 有限元模型

表1 材料屬性

1.3 邊界條件

根據(jù)道路試驗得到的數(shù)據(jù)，在ADAMS軟件中建立懸置多體動力學模型，得到發(fā)動機懸置支架的載荷(見表2)，施加到有限元模型。

表2 支架載荷 N

邊界約束處理：缸體缸蓋端面6個自由度全約束。

各個零部件之間建立對應的連接關系，螺栓螺紋與螺紋孔采用Tie連接，正時罩蓋與缸體缸蓋采用Tie連接，懸置支架和正時罩蓋采用小滑移接觸等。

1.4 應力結果

通過Abaqus后處理計算得到各個工況下的應力結果，分別見圖2和圖3，最大應力為180 MPa，小于ADC12材料抗拉強度240 MPa，滿足設計要求。

圖2 工況1

圖3 工況2

2 正時罩蓋高周疲勞分析

正時罩蓋高周疲勞計算基于應力結果，進行疲勞安全系數(shù)計算，結果如圖4所示，最小安全系數(shù)0.58，小于1.1，不滿足要求。安全系數(shù)最小區(qū)域，與正時罩蓋斷裂位置(見圖5)一致。

圖4 連桿高周疲勞安全系數(shù)

圖5 正時罩蓋斷裂位置

3 設計優(yōu)化

根據(jù)分析結果，對正時罩蓋懸置支架安裝位置結構進行優(yōu)化，優(yōu)化方案具體結構如圖6所示。

圖6 正時罩蓋優(yōu)化方案

對優(yōu)化方案計算分析，結果如圖7所示，最小安全系數(shù)1.15，大于1.1，滿足設計要求。通過道路試驗進行進一步驗證，發(fā)動機正時罩蓋右懸置支架安裝點沒有發(fā)生斷裂失效現(xiàn)象，順利完成耐久試驗，優(yōu)化方案合格。

圖7 正時罩蓋優(yōu)化方案

4 結論

根據(jù)正時罩蓋與周邊零部件的實際裝配關系，準確定義連接關系，合理施加約束，建立能夠準確反映實際受力的有限元模型。

通過道路試驗獲得的數(shù)據(jù)，得到發(fā)動機懸置支架的實際載荷，提高了分析精度。對比有限元模型最小安全系數(shù)區(qū)域與實際失效區(qū)域，驗證有限元模型的合理性及結果的準確性。

根據(jù)分析結果，優(yōu)化正時罩蓋懸置支架安裝位置結構，優(yōu)化方案順利通過耐久試驗，有效解決了失效問題，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。