輕客冷藏車前端輪系雙壓縮機(jī)支架開發(fā)及發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)剛度分析

曾華玉　陳欣　李強(qiáng)等

中圖分類號：U469.6+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-0226（2021）12-0108-06

輕客冷藏車采用底盤原廠設(shè)計(jì)雙空調(diào)系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系仍然保留原車空調(diào)及方向助力等實(shí)用配置，新開發(fā)冷機(jī)壓縮機(jī)專用支架并安裝獨(dú)立的制冷機(jī)組，帶動(dòng)上裝快速實(shí)現(xiàn)制冷。

某品牌冷藏車采用了江鈴493系發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力成熟可靠、經(jīng)濟(jì)性好、省油。隨著國民生活水平的提高，冷藏車已經(jīng)廣泛應(yīng)用于餐飲、速凍食品、禽肉、水產(chǎn)、果蔬、乳制品、動(dòng)物血液和疫苗等行業(yè)，由于是客車底盤，可在城市內(nèi)通行，非常適合城市冷鏈配送。

1發(fā)動(dòng)機(jī)前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1初始設(shè)計(jì)方案

因?yàn)檩p客發(fā)動(dòng)機(jī)艙在車輛前端，布置空間非常緊湊。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)變動(dòng)，經(jīng)過布置分析，直接在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)右支撐上增加雙壓縮機(jī)支架，將數(shù)據(jù)輸入CAE做剛度分析，如圖1所示。

1.2輸入相關(guān)邊界條件給CAE

輸入相關(guān)邊界條件給CAE的過程見表1。

1.3計(jì)算雙壓機(jī)支架系統(tǒng)剛度

根據(jù)初始方案計(jì)算輪系和支架受力，分析輪系支架剛度，判斷其是否滿足剛度設(shè)計(jì)要求（見圖2），轉(zhuǎn)化為對該系統(tǒng)的低階模態(tài)分析。剛度設(shè)計(jì)校核要求為一階模態(tài)頻率大于發(fā)動(dòng)機(jī)一階固有頻率標(biāo)準(zhǔn)：F_固=4100/60×2×1.2=164 Hz。

由計(jì)算可得，應(yīng)變能密度最大為止即為結(jié)構(gòu)較薄弱區(qū)域，一階模態(tài)頻率為134.71 Hz<164 Hz，應(yīng)變能密度顯示次結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐相對薄弱，易變形。

2改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了提升壓縮機(jī)支架的剛性，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置左支撐的剛性大，巧妙地修改設(shè)計(jì)，將原車用壓縮機(jī)集成固定位置在發(fā)動(dòng)機(jī)左支撐上的點(diǎn)下移，發(fā)動(dòng)機(jī)左支撐支架用六個(gè)螺栓固定，雙壓縮機(jī)小支架新增三個(gè)固定點(diǎn)。將冷藏的壓縮機(jī)三個(gè)點(diǎn)固定在發(fā)動(dòng)機(jī)左支撐和缸體本體上，不僅大大提高剛性，且縮短了偏心力臂。經(jīng)過調(diào)整后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3前端輪系對比

基型單壓縮機(jī)和改進(jìn)后冷藏車雙壓縮機(jī)的前端輪系方案對比如圖4所示。

2.4改進(jìn)前后雙壓縮機(jī)支架結(jié)構(gòu)對比

改進(jìn)前后雙壓縮機(jī)支架結(jié)構(gòu)對比如圖5所示。

2.5懸置左支撐改進(jìn)前/后作為壓縮機(jī)支架的開發(fā)關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)對比

黃色方框中是關(guān)鍵改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。改進(jìn)前/后的雙壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)懸置左支撐零件變化如圖6所示。

3改進(jìn)后輪系受力、皮帶長度校核分析

3.1輪系布局分析和動(dòng)靜態(tài)計(jì)算分析

接下來輸入前端輪系信息進(jìn)行輪系布局分析和動(dòng)靜態(tài)計(jì)算分析：

a.輸入輪系布局坐標(biāo)&帶輪尺寸。

b.輸入空壓機(jī)和冷機(jī)功率&轉(zhuǎn)動(dòng)慣量&曲軸角振動(dòng)以及常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況。

然后計(jì)算皮帶靜態(tài)受力分析、皮帶包角、皮帶長度尺寸校核，還需要計(jì)算在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況下的皮帶動(dòng)態(tài)曲線和動(dòng)態(tài)張力、打滑率、抖動(dòng)量。

3.2輸入輪系布局和帶輪尺寸

輸入輪系布局和帶輪尺寸，輸入的內(nèi)容如表2所示，輪系示意圖見圖7。

3.3輸入空壓機(jī)功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

輸入空壓機(jī)功率、性能曲線和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，輸入內(nèi)容如圖8所示。

3.4輸入新增冷藏壓縮機(jī)的功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量曲線

輸入新增冷藏壓縮機(jī)的功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量曲線，輸入內(nèi)容如圖9所示。

3.5輸入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角振動(dòng)曲線

輸入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角振動(dòng)曲線，輸入內(nèi)容如圖10所示。

4缸柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速3500r/min，怠速760r/min對應(yīng)曲軸角振動(dòng)曲線。

3.6結(jié)果計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，采用蓋茨6 PK多楔帶的輪系包角、帶輪長度靜態(tài)校核結(jié)果滿足要求，如圖11所示。

各皮帶驅(qū)動(dòng)長度、輪系包角和速比見表3輪系對齊度。按照張緊惰輪安裝，垂直度0.3°評估可接受。

3.7計(jì)算輸出曲線

采用6PK1290聚酯皮帶動(dòng)態(tài)計(jì)算輸出曲線，如圖12所示。

3.8皮帶張力和打滑率動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果

皮帶張力和打滑率動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果。滿足皮帶張力、打滑率、帶輪最大載荷車輛要求，如表4所示。

表4皮帶和帶輪設(shè)計(jì)滿足皮帶張力、打滑率和帶輪最大載荷要求

3.9皮帶和帶輪分析結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，建議采用6PK多楔帶，帶動(dòng)曲軸皮帶輪、空壓機(jī)和冷藏機(jī)組及張緊輪，多楔帶的有效長度為6 PK=1290mm，由于張緊輪采用定張緊裝置，建議初始安裝張力為700～750N。

根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果，其相關(guān)性能均可接受。參考動(dòng)態(tài)計(jì)算的帶輪最大和平均徑向載荷結(jié)果，評估對應(yīng)帶輪和軸承的性能均滿足要求。

4改進(jìn)后前端輪系剛性分析

4.1重新分析相關(guān)參數(shù)

重新分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，主要是輪系結(jié)構(gòu)件變化，其余未變，如表5所示。

4.2重新畫出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的零件網(wǎng)格

重新畫出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的零件網(wǎng)格，并進(jìn)行一階模態(tài)分析。得出結(jié)論：一階模態(tài)頻率220.6 Hz，遠(yuǎn)大于CAE評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)164 Hz，完全滿足剛度設(shè)計(jì)要求。支架最大應(yīng)力為104.4MPa，小于材料屈服強(qiáng)度320 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。具體如圖13所示。

改進(jìn)后的一階模態(tài)頻率220.6 Hz>CAE評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)164Hz，遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率，滿足剛度要求。

5結(jié)語

該車型整車經(jīng)過5萬km耐久試驗(yàn)結(jié)果合格，目前已投入批量使用，且銷售了920臺/年，改裝廠和客戶反饋前端輪系正常，省油且噪聲小，上裝冷藏壓縮機(jī)使用效果良好，能為今后同類型車型的設(shè)計(jì)提供借鑒意義。