重型車輛專用濾芯壓緊機構動力學仿真與試驗研究

盧進軍, 李繼新, 武建斌, 孫 陽, 李文超, 喬夢華

(1.中國北方車輛研究所,北京 100072;2.中國人民解放軍北京軍事代表局豐臺軍事代表室,北京 100072)

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重型車輛專用濾芯壓緊機構動力學仿真與試驗研究

盧進軍1, 李繼新1, 武建斌2, 孫 陽1, 李文超1, 喬夢華1

(1.中國北方車輛研究所,北京 100072;2.中國人民解放軍北京軍事代表局豐臺軍事代表室,北京 100072)

針對某重型車輛濾芯壓緊結構存在的缺陷,利用狹小空間三維設計與動力學仿真相結合的方法,開發了一套功能可靠、操作簡單的濾芯壓緊機構,解決了長密封帶空氣濾芯的壓緊密封問題。本文在機構三維模型的基礎上建立了虛擬樣機模型,應用Ansys Workbench工具系統中的Rigid Dynamics模塊進行了運動狀態分析與干涉校驗,關鍵件動載分析、運動平穩性分析和抱緊力分析等多項分析研究,研究結論證明該新型結構滿足在狹小空間內快速執行濾芯壓緊固定的功能要求,同時壓緊力和限位裝置滿足使用要求,將新型機構應用到空濾系統中進行了野外實車測試,6臺車共12套機構平均行駛里程超過10000km,未出現密封失效現象。

空氣濾清器; 濾芯; 密封; 壓緊機構; 試驗

1 引 言

在重型車輛的動力系統設計中,發動機輸出功率逐漸增高,內燃機燃燒所需要的空氣量越來越多,在保證過濾材料強度的前提下,過濾面積需要加大。由于動力艙空間的限制,動力系統功率密度的不斷提高,導致空氣濾清器的體積,主要是二級濾清器的體積持續被壓縮,為了保證過空氣濾清器過濾面積,必須采用非傳統、高強度空氣濾芯,濾芯結構復雜,濾芯密封帶拉長。這種濾芯結構采用傳統的壓緊方式在濾芯壓緊可靠性和操作上都存在著缺陷,具體表現為濾芯保養、更換困難、耗時長,不能全空間限位,且需要專用安裝工具的輔助才能完成濾芯的更換。

傳統的濾芯壓緊方式是通過轉動螺母推動錐形圓盤移動壓緊濾芯,見圖1。該壓緊方式在實際使用中存在三個問題:(1)操作空間狹小極其耗時,保養或更換濾芯時,需要將空氣濾清器總成吊出動力艙,消耗大量人力、時間;(2)濾芯需要施加的壓緊力很難控制,容易造成濾芯密封圈永久變形甚至損壞;(3)對于非圓形、密封帶較長的濾芯,需要不止1～2機構,在濾芯后端分別作用,存在壓緊力不均勻與不能完全壓緊的缺陷。

圖1 傳統濾芯壓緊結構Fig.1 The traditional filter pressing structure

2 新型濾芯壓緊結構

針對以上存在的問題,我們設計了一套新型濾芯壓緊機構,見圖2。該機構由提桿、U型連接桿、短轉軸、長轉軸等組成。該壓緊機構安裝于空氣濾清器箱體上,通過將壓緊機構的提桿抬起、放下,實現了空氣濾芯的拆卸、壓緊功能,操作簡單、可靠,操作者在安裝濾芯時,確保零失誤;同時提桿、U型連接桿、短轉軸同時作用,對空氣濾芯實現六個自由度的限位,能有效滿足濾芯的動、靜態壓緊需求。濾芯壓緊狀態見圖3。

圖2 新型壓緊機構Fig.2 The new filter pressing structure

圖3 濾芯壓緊狀態Fig.3 The filter pressing state

本文在構建新型壓緊機構三維模型之后,應用動力學仿真工具Ansys Workbench系統中的Rigid Dynamics進行動力學仿真研究。

產品開發工程師經常會遇到各種運動機構和動力學分析問題,有些情況過于復雜和特殊,特別是一些多連桿聯合運動機構的動力學仿真問題,整個系統在運動過程中還要涉及到接觸碰撞等受力情況會給系統的動力學求解帶來極大的困難。Rigid Dynamics是新一代的動力學分析軟件,采用新的運動方程理論和完全遞歸算法,適合于求解大規模復雜的多體系統動力學問題,尤其是復雜的多接觸問題[1]。

Rigid Dynamics理論分析模塊是Ansys Workbench工作系統中的一個副模塊,其功能是解決多剛體系統中關鍵件的動力學響應與優化的計算問題,是解決機構系統宏觀動力學問題的有效工具,計算過程基于如下假設:

系統中各部件均為剛性體,密度成為唯一的材料屬性;

系統各零件之間通過鉸接和彈簧連接,粘性阻尼亦由彈簧代替;

系統的輸入和輸出均為力、力矩、位移、速度和加速度,理論基礎依然為牛頓第二運動定律、達朗貝爾原理等理論力學基本定律。

3 新型濾芯壓緊機構建模

該壓緊機構用于梯形濾芯的快速運動驅動并鎖止在固定位置,由于系統的運動主要是提桿驅動的套筒軸平面平行移動的問題,因此各個軸端采用具有旋轉約束的鏈接體聯接而成,連接方式采用鉸接即可,鉸接作用點可以施加扭轉彈簧以反映平面內的扭轉剛度,本結構套筒與軸之間均采用間隙配合,故扭轉剛度設為零,其余連接體均設置為剛性桿。機構的運動是通過驅動提桿裝置完成的,主要是通過上方位移驅動提桿和鉸接處施加扭矩來共同驅動的,由于提桿上端平面的位置需要精確定位,故將提桿上方提拉的運動簡化為水平方向的牽引運動[2]。

仿真模型的建立是在導入原有三維精確模型的基礎上,用Rigid Dynamics提供的多級系統建模和空間多接觸面,多連接定義快速構建而成的,如圖4和圖5所示,并在此基礎上添加了驅動力、碰撞、運動副等約束條件,由于該結構可以看作高速間歇運動,因此可以采用一系列分段的時間與運動位移坐標來輸入運動參數。

4 新型濾芯壓緊機構仿真分析

4.1 運動狀態與干涉校驗

在進行多體動力學系統機構的運動與動力學仿真分析中,第一步需要考慮系統中的主動件和從動件多運動的干涉影響,即考慮到在設計的平面柔度和扭轉柔度范圍內,提桿由初始位置擺動到終止位置,套筒由自由狀態到接觸濾芯后端表面,推動濾芯運動到達終了位置的整個過程壁面被卡住或干涉撞擊引起提桿、套筒等結構變形。設計一定的提桿和套筒柔度有助于提高壓緊機構的工作可靠性,但設計柔度不能過大,否則會引起鉤掛現象,產生運動不暢會提前鎖止,通常設計值在0.3-0.5為最佳[3],壓緊機構的套筒中心軸空間位移曲線如圖6所示。

圖4 濾芯壓緊機構與濾芯作用系統三維模型Fig.4The inter-action three-dimensional model of filter pressing mechanism and filter system

圖5 濾芯壓緊機構與濾芯作用系統三維仿真模型Fig.5The inter-action three-dimensional simulation model of filter pressing mechanism and filter system

3.2 關鍵件動載與壓緊力響應對比分析

新型壓緊機構作用在濾芯后端蓋上的套筒是系統中負載較大的功能性部件,在傳統壓緊機構中,螺旋壓盤也是直接作用在濾芯后端蓋上,是一種通過螺紋擰緊把力傳遞給濾芯的負載功能部件。在壓緊機構高速間歇受載運動過程中,會周期性的、瞬時的以變載荷沖擊套筒,形成力的激勵和震蕩[3]。在本模型中,牽引運動的驅動可以近似的等效為由操作者施加的沖擊載荷,與傳統的壓緊機構相比,新型壓緊機構在沖擊載荷作用下的壓緊力變化曲線如圖7所示。

圖6 套筒中心軸空間位置Fig.6 The spatial position of the sleeve shaft center

圖7 新型壓緊機構與傳統壓緊機構壓緊力的加載情況對比圖Fig.7 Comparison of the loading condition of the new type and the traditional pressing mechanism

由壓緊力圖可以看出,新型壓緊機構的壓緊力在2s后達到恒定值,滿足濾芯持續壓緊狀態,而傳統壓緊機構壓緊力隨螺旋裝置的旋轉,壓緊力持續增加,容易造成濾芯壓緊力過載,橡膠密封墊永久變形,梯形濾芯框架變形失穩,新型壓緊機構解決了上述問題。

4.3 運動平穩性分析

由于新型壓緊機構中含有多種非線性因素,采用完全遞歸算法,對機構連接零部件的各自由度運動幅值的斂散性進行分析,來判斷新型濾芯壓緊機構的運動平穩性[4],同時得到考察運動平穩性的參數,及各連接件的運動加速度值,如圖8為U型連接桿的加速度響應。

圖8 加速度響應曲線Fig.8 The acceleration response curve

4.4 固定約束部分抱緊力分析

U型連接桿對空氣濾芯的抱緊力設計也十分重要,該值越大,濾芯系統壓緊后越穩定,抱緊濾芯越可靠,但濾芯進入接觸到完全抱緊過程產生的干涉力也越大,另一方面,U型連接桿與濾芯接觸摩擦消耗的能量會越來越大,對其它的相關機構工作也不利。若該值較低,則容易使得濾芯在壓緊過程中產生橫向擺動[5],產生濾芯壓緊不正,存在密封失效隱患,因此需要進行U型連接桿抱緊臂的抱緊力動態載荷分析,分析結果如圖9所示。

圖9 抱緊力曲線圖Fig.9 The holding force curve

5 實車試驗

安裝了該濾芯壓緊機構的樣車在10000km 不同路況的行車過程中,濾芯密封可靠,無泄漏;更換濾芯無需吊艙,方便快捷,拆裝濾芯平均時間不超過5min;而拆卸安裝傳統濾芯壓緊機構的空氣濾清器濾芯則至少需要30分鐘,時間節省約83%。

6 結 論

本文應用Ansys Workbench系統中的Rigid Dynamics多體動力學模塊,在導入原有實體模型的基礎上,快速構建仿真模型。根據Rigid Dynamics分析流程提供的瀑布式建模路線進行系統建模,運用空間多接觸設置和完全遞歸算法等特殊功能,對新型空氣濾清器特種濾芯壓緊機構的運動與動力學分析問題進行了動力學仿真,得到了作為設計校正和優化參考的動力學參數,為新型特種濾芯壓緊機構的動力學設計提供了很好的設計校驗方法,仿真結果可以檢測壓緊機構系統工作的平穩性和可靠性,并預測壓緊機構故障的發生及現象模擬。

相對于傳統的壓緊機構,新型壓緊機構在干涉校驗,關鍵件動載分析、運動平穩性分析和壓緊力分析等多項分析研究中表現優異,不僅滿足濾芯運動形式和固定位置的基本要求,其平穩性、可靠性和運動速度都較傳統結構有了大幅度的提高,是一種高效的、創新性的新型機構,可以推廣使用。

由于在計算碰撞過程中對CAD模型的要求較高,而現有模型的鈑金機加件模型及裝配位置公差等因素還有待精確和完善,因此本模型對鉸接結構和連接體進行了簡化,待更精確的模型建立后,可以在各鉸接零件間加入碰撞關系、摩擦副等約束,從而更充分的考慮各零部件的柔度、裝配間隙、空間碰撞等在高速間歇運動復雜狀態下的系統動力特性,進一步豐富仿真得到的結果。

[1] ANSYS Workbench User’s Manual.

[2] 上官文斌,蔣學峰.發動機懸置系統的優化設計[J].汽車工程,1992,13(2):103-110.

SHANGGUAN Wen bin,JIANG Xue feng.Optimum design of engine mounting system[J].Automotive Engineering,1992,13(2):103-110.

[3] 閻紅玉,徐石安.發動機懸置系統的能量法解耦及優化設計[J].汽車工程,1993,15(6):321-328.

YAN Hongyu,XU Shian.Energy method decoupling and optimization design of engine mount system[J].Automotive Engineering,1993,15(6):321-328.

[4] 成大先,機械設計手冊:機械傳動[M].北京:化學工業出版社,2004. CHENG Daxian.Mechanical design handbook:mechanical transmission[M].Beijing:Chemical Industry Press,2004.

[5] 辜承林,機電動力系統分析[M].武漢:華中科技大學出版社,1998.

GU Chenglin.Analysis of electrical machine dynamic[M].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press,1998.

Dynamic Simulation and Experimental Study of Filter Pressing Mechanism for Heavy Duty Vehicles

LU Jinjun1, LI Jixin1, WU Jianbin2, SUN Yang1, LI Wenchao1, QIAO Menghua1

(1.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China;2.Fengtai Military Representative Office of Beijing military representative Bureau of the PLA,Beijing 100072,China)

Aiming at the defects of the filter pressing structure on a certain heavy vehicle,combined the method of narrow space 3D design and dynamic simulation,a set of filter pressing mechanism which has reliable function,simple operation was developed to solve the air filter’s seal up problems with long seal edge.Based on the 3D Mechanism Model,a virtual prototype model was established.The rigid dynamics module of ANSYS Workbench tool system was used to do a number of analysis such as the motion analysis and interference checking,the key parts of dynamic analysis,motion stability analysis and hold force analysis,the research conclusion show that the new structure meet the functional requirements expecially in the small space and the rapid implementation of the filter pressing force,the pressing force and the limit device meet the requirements.The new mechanism fixed in the air filtration system was trained in the field test,6 vehicles and a total of 12 machines structure were flated and the test mileage over 10000km,no seal failure phenomenon was detected.

air filters; filter element; seal; pressing mechanism; test

盧進軍 男(1980-),河北廊坊人,副研究員,主要研究方向為特種車輛進氣過濾技術、結構強度仿真與優化技術和過濾材料建模與仿真技術。

李繼新 女(1979-),山西應縣人,副研究員,主要研究方向為特種車輛進氣過濾技術、旋風分離技術和空氣濾清器系統結構優化技術。

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