發動機機油集濾器固定支架強度分析

王麗鳳

摘要：為了校核某型柴油機機油集濾器固定支架的強度，建立了機油集濾器以及固定支架的有限元模型，利用Abaqus 軟件分別對機油集濾器固定支架的模態振型及頻率值、應力分布進行了計算分析，并對疲勞安全系數和靜強度安全系數進行了校核。結果表明，支架安全系數符合要求，但存在共振風險。

關鍵詞：機油集濾器;固定支架;模態;安全系數

0? 引言

機油集濾器是發動機潤滑系統部件，裝在機油泵之前，其主要作用是濾除機油中的雜物、膠質和水分，提高進入機油泵中機油的清潔度。機油濾清器一般通過支架固定在發動機機體上。為了驗證某型發動機的機油濾清器支架的強度是否滿足作用要求，本文從靜強度、疲勞強度和模態三方面進行計算分析。

1? 有限元模型和邊界條件

1.1 有限元模型

某型柴油機的機油集濾器裝配圖如圖1所示。在建立有限元模型的過程中綜合考慮計算精度的影響及有限元模型的計算規模，需要對結構進行適當簡化。本文在建模過程中對于發動機機體只取與油底殼接觸安裝機油集濾器固定支架的部分機體。本文建立的噴油器有限元分析模型中的零件包括部分機體、機油集濾器管、支架、卡箍和螺栓。在有限元模型單元選擇上本文選擇可以同時解決復雜的幾何外形及接觸問題，并且能夠計算出精確的接觸壓力的10節點四面體單元[1]。本文采用Simlab與Hypermesh進行網格劃分，在Abaqus里進行前處理，使用Abaqus進行求解和后處理。有限元模型的單元數和節點數如表1所示，整個模型共有個227251單元，418251個節點，有限元模型如圖2所示。

1.2 材料特性

集濾器有限元分析模型中各零件所用材料及其材料參數如表2所示。

1.3 邊界條件

本文邊界條件的施加如圖3所示。在強度計算中，螺栓法蘭面與支架連接面、螺栓法蘭面與卡箍連接面、螺栓螺紋部分與機體螺栓孔等三處連接采用Tie連接，支架和卡箍接觸面、吸油管與機體接觸面采用Contact連接。在模態計算中，以上所有接觸面均采用Tie連接。強度計算和模態分析中對于機體截斷面均采用全約束。綜合考慮各方向所承受的重力大小，參考以往的經驗值，在上下方向加載10倍重力加速度，前后左右各加載5倍重力加速度。螺栓預緊力采用公式F=T/kd計算后進行施加[2]。

2? 計算結果與分析

2.1 模態分析

2.1.1 模態振型

模態分析是利用Abaqus中的Frequency進行特征值提取，前四階振型如圖4所示。

2.1.2 模態頻率值

經過自由模態振動計算，得到集濾器支架的前20階模態頻率值，具體值如表3所示。

本文所研究的直列6缸發動機的標定轉速是

2300r/min，最高空載轉速為2560r/min。本文研究的發動機為直列六缸四沖程柴油發動機，發動機在最高轉速時的激勵頻率計算公式為[3]：

式中，f為發動機激勵頻率，i為氣缸數，n為發動機曲軸轉速，τ為發動機沖程數。

由上式可轉換得到六缸發動機激勵頻率對應的轉速n=發動機激勵頻率f×20，由此計算得到機油集濾器總成的第一階固有頻率對應的共振轉速最高為2540r/min，接近但低于發動機的最高空載轉速，有可能發生共振。因此，模態分析結果不滿足要求，出現共振的風險較大。

2.2 安全系數計算

2.2.1 應力計算

將模型導入到Abaqus中計算強度。經計算，機油集濾器支架在施加10倍向上加速度時，卡箍與吸油管處應力分布較大，具體應力分布動力如圖5所示。

2.2.2 疲勞安全系數計算

將支架材料Q235的疲勞計算屬性進行設定：抗拉強度設置為390MPa，屈服強度設置為250MPa，脈沖循環疲勞強度設置為338.5MPa，交變循環疲勞強度設置為175.4MPa。將圖5所示的應力計算結果導入FEMFAT，應用Transmax模塊計算疲勞安全系數和靜強度。在設置好Femfat計算選項后，先把計算生成的odb文件導入到FEMFAT進行疲勞計算。結果如圖6所示，疲勞安全系數最小值為2.36，位置位于支架彎折邊緣處，安全系數大于1.2，滿足疲勞要求。

2.2.3 靜強度安全系數計算

把計算生成的odb文件導入到FEMFAT進行靜強度安全系數計算，計算前，在對支架材料Q235的疲勞計算屬性進行設定時，抗拉強度用屈服值替代。計算結果如圖7所示，靜強度安全系數最小值為1.23，位置同樣是支架彎折邊緣處，安全系數大于1.2，滿足靜強度安全要求。

3? 結論及建議

①機油集濾器總成的第一階固有頻率對應的共振轉速最高為2540r/min，接近但低于發動機的最高空載轉速，有可能發生共振。因此，模態分析結果不滿足要求，存在出現共振的風險。但考慮所有連接皆為螺栓緊固，不存在焊接造成材料屬性下降現象，也不會有焊接發生形變導致安裝應力出現，即使出現共振，支架出現斷裂的可能性不大，建議進行試驗驗證。

②疲勞安全系數最小值為2.36，位置位于支架彎折邊緣處，安全系數大于1.2，滿足疲勞要求。

③靜強度安全系數最小值為1.23，位置同樣是支架彎折邊緣處，安全系數大于1.2，滿足靜強度安全要求。

參考文獻：

[1]陳元華，李天明.柴油機機體增開窗口鑄造成型后有限元分析[J].熱加工工藝，2009，41（9）：42-44.

[2]陳元華.柴油機噴油器緊固螺栓及壓板強度分析[J].內燃機與配件，2019（11）：45-46.

[3]侯獻軍，劉志恩，顏伏伍，等.汽車排氣系統靜力學計算及模態分析[J].汽車技術，2010（1）：40-42.