某重型柴油發動機懸置支架優化分析

毛中欣，陳員娥，楊森

(江西五十鈴發動機有限公司，江西南昌 330200)

0 引言

某公司于2017年開發的一款載質量4.5 t的重型柴油版皮卡汽車。該系列車型全系采用江西五十鈴4JJ1發動機，搭載格特拉克變速箱，動力總成采用常用的三點式布置方式，該產品所搭載的發動機在臺架試驗時，出現發動機懸置左支架開裂現象。

通過分析，在零部件出圖設計時，因空氣泵零件本身質量大，且需4個固定點，及空氣泵在發動機總體布置上的實際情況，故對空氣泵支架與發動機右支架進行了一體化設計，在進行發動機臺架試驗時，造成了疲勞破壞，最終導致發動機懸置支架空氣泵支撐部位處的斷裂。為解決此問題，優化了懸置支架空氣泵支撐部位的結構和更改張緊輪總成支架加強筋的位置，以此來避免應力集中的出現，經過理論分析及發動機臺架試驗驗證，有效地解決了該問題。

1 故障現象及原因分析

在臺架試驗時，出現發動機懸置支架空氣泵支撐部位開裂現象，具體如圖1所示。

圖1 發動機懸置支架空氣泵部位開裂

從圖1可看出，發動機懸置支架斷裂的斷口表面為粗晶粒狀，分析認為可能是疲勞破壞導致。為驗證其正確性，對該零部件進行了相關校核計算。

1.1 零部件結構設計的CAE分析

在設計出圖時，因空氣泵零件本身特點及其在發動機總體布置上的實際情況，故對空氣泵支架與發動機右支架進行了一體化設計，零部件的結構如圖2所示，基礎數據見表1。

圖2 零部件結構

表1 基礎數據

從圖3應力云圖分析結果可知,發動機懸置支架最大應力為340 MPa，大于許用應力320 MPa，不滿足目標值要求，張緊輪總成支架最大應力為136 MPa，小于許用應力170 MPa，滿足目標值要求。

圖3 懸置支架和張緊輪總成應力云圖

1.2 零部件局部結構修改后的CAE分析

在發動機懸置支架斷裂后，重新對該支架的空氣泵支撐部位結構進行了優化，優化前后的結構如圖4所示。

圖4 懸置支架結構優化前后變化

發動機懸置支架空氣泵支撐部位結構優化，針對優化后的零件進行了CAE分析，分析結果如圖5所示。從圖5中可知，發動機懸置支架最大應力由原設計的340 MPa降至為31.4 MPa，小于許用應力320 MPa，符合目標值要求。

圖5 懸置支架修改后的應力云圖

綜上分析，更改零部件斷裂部位結構后，可使發動機支架的應力值得到有效地降低。

2 解決措施及理論驗證

根據疲勞破壞的機制可知，導致發動機懸置支架斷裂的原因是：由于應力過大引起的零部件疲勞破壞。根據影響疲勞極限的3個因素：(1)構件外形；(2)構件尺寸；(3)構件表面質量。同時考慮部件經濟性的因素，制定發動機懸置支架開裂的解決措施如下：

對零部件的變形部分作局部結構優化，避免應力集中——更改發動機懸置支架空氣泵支撐部位處與缸體側端面連接的結構，取消空氣泵在支架上的左后方固定點(采取三點固定空氣泵)，同時優化張緊輪總成支架的加強筋。

對解決措施進行了理論驗證，修改后的Mises應力云圖如圖6所示。

圖6 懸置支架及張緊輪總成支架修改后的Mises應力云圖

從圖6可知：發動機懸置支架最大應力由原設計的340 MPa降至為31.4 MPa，小于許用應力320 MPa，滿足目標值要求;同時優化后的張緊輪總成支架最大應力由原設計的136 MPa降至為106.8 MPa，小于許用應力170 MPa，滿足目標值要求。

從以上分析可以看出，優化了兩零部件的結構后，發動機懸置支架和張緊輪總成支架的最大應力值都有不同的下降，且都符合目標要求。

通過理論驗證，解決了發動機右懸置支架空氣泵支撐部位處開裂問題。

3 試驗驗證

優化后的發動機懸置支架經過發動機臺架337 h的震動試驗、500 h的全速全負荷試驗無斷裂現象，并且自上市銷售至今，未收集到售后及終端客戶反饋類似問題。

4 結論

在進行零部件設計時，為避免發生疲勞破壞，首先要從引起疲勞極限的3個因素入手，同時考慮零部件成本、制造工藝的要求。要降低零部件的疲勞極限，最主要的是考慮零部件的應力影響，使零部件避免出現應力過大，最終導致疲勞破壞的現象。