柴油機飛輪殼輕量化優(yōu)化設(shè)計與分析

顧偉

摘要：本文以鑄鐵HT250飛輪殼進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將飛輪殼材料由HT250優(yōu)化為YL112，降低飛輪殼整體重量為目標，通過優(yōu)化計算得出，優(yōu)化后飛輪殼的最大主應(yīng)力值為100MPa，較HT250飛輪殼的最大主應(yīng)力在161.2MPa小得多，疲勞安全系數(shù)略小于HT250的飛輪殼;并且通過計算兩張材料下的動力總成模態(tài)頻率，采用YL112的飛輪殼1階模態(tài)頻率要高于HT250飛輪殼的1階模態(tài)頻率，說明優(yōu)化后飛輪殼的剛度得到一定的提升;通過優(yōu)化后最終飛輪殼的重量減輕4.5kg，輕量化效果明顯。

關(guān)鍵詞：飛輪殼;輕量化;動力總成;模態(tài)

0 ?引言

近年來，由于環(huán)境污染，嚴重的霧霾不斷出現(xiàn)，對于環(huán)境保護的要求也越趨于嚴格，隨著國五排放標準的實施和國六排放標準的實施計劃，對汽車排放NOx、HC和PM標準及燃油耗標準的進一步嚴格限制，因此急需快速改善汽車的排放指標及降低整車油耗，而汽車輕量化對汽車排放指標和降低整車燃油消耗率帶來了巨大的利好。柴油機作為汽車的核心動力總成，其重量占汽車比重的很大一部分，對柴油機進行輕量化設(shè)計已經(jīng)成為汽車輕量化設(shè)計的重要目標。柴油機輕量化設(shè)計能夠改善發(fā)動機的比功率及整車動力性和經(jīng)濟性。

零部件的輕量化設(shè)計能夠給汽車帶來降低NOX、HC及PM等排放污染物，使得汽車能夠滿足國家制定的國五和國六排放法規(guī)的效果，并且還能夠降低燃油消耗量，有試驗表明：汽車的總重量每降低10%，則燃油消耗量可以降低6-8%，排放污染物可以降低4%。

目前，汽車的輕量化主要采用的有效措施為采用高強度碳鋼、復(fù)合材料、工程塑料、鋁合金、鎂合金及蠕墨鑄鐵等，在這些材料中，由于鎂合金材料價格較高，因此更得采用鋁合金材料，鋁合金材料具有較高的抗拉強度、加工性能、環(huán)保性能和耐腐蝕性能，同時鋁合金材料的密度較之鑄鐵材料更小，約1/3，說明鋁合金材料成為輕量化設(shè)計的首選材料之一，尤其是針對柴油機輕量化來算，鋁合金材料尤為重要。

對柴油機產(chǎn)品重要特性為C級的鑄鐵零部件進行統(tǒng)計，包括空調(diào)壓縮機支架、發(fā)電機支架、動力轉(zhuǎn)向泵支架和飛輪殼等部件，發(fā)現(xiàn)這些鑄鐵件總重量超過20kg，有些產(chǎn)品達到40kg，甚至更高的重量。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，壓鑄鋁的飛輪殼已經(jīng)在國內(nèi)市場上投入使用。壓鑄鋁飛輪殼不僅使用在乘用車，而且商用柴油車上也得到應(yīng)用，例如東風貨車、曼發(fā)動機、五十鈴、大眾等，從目前的狀況來看，將發(fā)動機飛輪殼由HT250更改為壓鑄鋁，從而降低發(fā)動機整機質(zhì)量成為一種趨勢。

1 ?計算邊界條件及計算目標

利用UGNX6.0建立附件模型，由于結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，因此采用二階四面體單元，在考慮計算機性能的前提下，盡量要求飛輪殼的網(wǎng)格更加細致。在分析時，為減少計算量，計算過程中按動力總成及飛輪殼零部件強度計算。

根據(jù)表1-表3參數(shù)設(shè)計計算目標，柴油機轉(zhuǎn)速為800-3600rpm，則其二階發(fā)火頻率為26-120Hz，要求柴油機附近支架頻率大于（1.3±0.1）*120HZ=144-168HZ，則附件支架的安全系數(shù)為1.2-1.4。

動力總成有限元模型的建立，通過利用有限元軟件建立機體-飛輪殼-變速箱的動力總成模型如圖1。由于有限元計算無法完成非線性模態(tài)分析，因此機體與飛輪殼之間通過RBE單元連接螺栓孔，飛輪殼與變速箱支架通過RBE連接螺栓孔，有限元網(wǎng)格采用3.5mm的C3D10M，其中機體節(jié)點1404978，單元820410，飛輪殼節(jié)點共619164個，單元共186018個;變速總成節(jié)點739602個，單元共1427224個。

2 ?飛輪殼靜強度計算

針對飛輪殼進行靜強度計算，計算邊界按過凹槽6G，轉(zhuǎn)彎時X為0;Y為2G;Z為5G，碰撞時取8G載荷的方式加載。

通過加載載荷計算得出，材料為HT250時，該結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值為161.2MPa，如圖2所示;材料為壓鑄鋁YL112時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值為100MPa，如圖3所示;新結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值小于原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，說明新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化狀態(tài)較好。

對飛輪殼進行疲勞強度計算，其結(jié)果可知，HT250飛輪殼的最小疲勞安全系數(shù)為1.94，如圖4所示;材料為YL112的飛輪殼最小疲勞安全系數(shù)為1.89，如圖5所示;優(yōu)化后安全系數(shù)大于1.25，滿足強度要求。

3 ?動力總成模態(tài)分析

通過對比計算兩張結(jié)構(gòu)下的動力總成模態(tài)頻率，原結(jié)構(gòu)HT250飛輪殼的動力總成系統(tǒng)1階模態(tài)頻率為152Hz，如圖6所示;二階模態(tài)頻率為157Hz，如圖7所示;采用壓鑄鋁YL112后，優(yōu)化飛輪殼結(jié)構(gòu)，動力總成系統(tǒng)的1階模態(tài)頻率為180Hz，如圖8所示;二階模態(tài)頻率為221Hz，如圖9所示;以上數(shù)據(jù)說明優(yōu)化后新結(jié)構(gòu)的動力總成系統(tǒng)剛度有一定的提升，通過改善零部件結(jié)構(gòu)可以提升零部件整體剛度，從而改善系統(tǒng)剛度。

4 ?小結(jié)

①通過對飛輪殼進行靜強度對比計算與分析，采用HT250飛輪殼的最大主應(yīng)力值為161.2MPa，通過計算疲勞循環(huán)，得出最小疲勞安全系數(shù)為1.94;采用壓鑄鋁YL112的飛輪殼，由于鑄造工藝差異，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，最終該飛輪殼的最大主應(yīng)力值為100MPa，其最小疲勞安全系數(shù)為1.89;

②對兩種材料的飛輪殼進行動力系統(tǒng)模態(tài)計算，采用HT250飛輪殼的動力總成系統(tǒng)1階模態(tài)頻率為152Hz，采用壓鑄鋁YL112飛輪殼的動力總成系統(tǒng)1階模態(tài)頻率為180Hz;

③因材料由HT250優(yōu)化為壓鑄鋁YL112，則飛輪殼重量由原來HT250結(jié)構(gòu)的8.5kg減至YL112結(jié)構(gòu)的4kg，減重4.5kg，說明減重效果明顯。

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