柴油機(jī)飛輪殼優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

郭凱

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

減少汽車整備質(zhì)量是降低燃油消耗、提高運(yùn)輸效率、降低有害氣體排放的重要手段。目前國產(chǎn)汽車零部件中，鑄件質(zhì)量占汽車質(zhì)量的10%～20%，其中商用車鑄件質(zhì)量約占整車質(zhì)量的20%，乘用車鑄件質(zhì)量約占整車質(zhì)量的10%，為汽車質(zhì)量重要構(gòu)成之一。因此，商用車鑄件輕量化對(duì)降低整車質(zhì)量，提高運(yùn)輸效率，降低NOx、HC及顆粒物排放等具有重要意義[1-3]。

柴油機(jī)是汽車的動(dòng)力總成核心，其質(zhì)量是整車質(zhì)量的重要組成部分，柴油機(jī)輕量化能夠改善柴油機(jī)的比功率及整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，是汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。飛輪殼質(zhì)量在柴油機(jī)質(zhì)量中占比較大，減輕飛輪殼質(zhì)量，對(duì)降低整車質(zhì)量有重要意義。

鋁合金材料的加工性、環(huán)保性、抗拉強(qiáng)度好，耐腐蝕性較高，且密度較小，是輕量化設(shè)計(jì)的首選材料之一。近年來，隨著有限元模擬分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用，形成了許多成熟的仿真分析軟件。仿真分析可以為零部件提供設(shè)計(jì)依據(jù)，提高設(shè)計(jì)成功率，縮短研發(fā)流程，降低研發(fā)成本。

為減輕飛輪殼質(zhì)量，本文中將飛輪殼材料由鑄鐵材料更換為鋁合金材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用ABAQUS軟件搭建飛輪殼及相關(guān)零件的有限元模型，通過有限元分析計(jì)算及應(yīng)力測(cè)試，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

1 優(yōu)化方案及材料性能

1.1 優(yōu)化方案

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖1 飛輪殼優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)

通過優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)減輕飛輪殼質(zhì)量，將飛輪殼材料由HT250更換為ZL111，結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施主要包括：飛輪殼下部增加3條加強(qiáng)筋；為利于內(nèi)砂芯取砂，飛輪殼內(nèi)翻邊增加倒角60°；飛輪殼壁厚由5.5 mm強(qiáng)化至6.0 mm；飛輪殼加強(qiáng)筋由6 mm增加至8 mm。優(yōu)化前、后飛輪殼結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

1.2 材料性能

優(yōu)化后，飛輪殼、機(jī)體、懸置支架和螺栓的材料性能參數(shù)如表1所示，連接螺栓性能參數(shù)如表2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量為270.0 kg，變速箱總成質(zhì)量為94.0 kg，離合器質(zhì)量為19.0 kg，起動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量為5.4 kg。優(yōu)化后，飛輪殼質(zhì)量減輕11.69 kg。

表1 各部件材料性能參數(shù)

表2 連接螺栓參數(shù)

2 ABAQUS計(jì)算分析

采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，前處理軟件采用Hypemesh，計(jì)算過程中功能步驟的執(zhí)行均根據(jù)上述軟件的命令[4-5]。

飛輪殼計(jì)算模型包括：飛輪殼、飛輪殼端的氣缸中心截面截取的局部氣缸體、變速箱局部殼體、固定支架以及安裝螺栓[6-9]。

整體坐標(biāo)系為采用右手定則的直角坐標(biāo)系，以曲軸中心線與飛輪殼后端面交點(diǎn)為原點(diǎn)，朝向整車前端為+x方向，豎直向上為+z方向，根據(jù)右手定則確定+y方向。

2.1 有限元模型及邊界條件

飛輪殼、機(jī)體、懸置支架、變速箱等有限元模型采用二階四面體網(wǎng)格單元，考察件平均網(wǎng)格尺寸為4 mm，非考察件平均網(wǎng)格尺寸為6～10 mm；計(jì)算時(shí)，在機(jī)體的切剖平面和飛輪殼支架上設(shè)置約束條件，在機(jī)體的切剖平面約束3個(gè)平動(dòng)方向自由度，飛輪殼支架底面約束鉛垂方向的自由度。建立的三維模型如圖2所示，邊界條件如圖3所示。

a)變速箱端支架 b)飛輪殼及部分變速箱 c)發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架圖2 飛輪殼計(jì)算三維模型

a)發(fā)動(dòng)機(jī)前端支架 b)飛輪殼及部分變速箱 c)變速箱端支架圖3 邊界條件

2.2 接觸及約束條件

在有限元計(jì)算模型中找到變速箱質(zhì)心的空間位置并標(biāo)出該質(zhì)量點(diǎn)，將變速箱的質(zhì)量耦合在飛輪殼上。接觸及約束定義如圖4所示。

圖4 接觸及約束定義

2.3 沖擊載荷

進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)在受地面沖擊時(shí)的最惡劣工況的應(yīng)力分析。在鉛垂方向(z)、水平橫方向(y)、水平縱方向(x)分別施加正向7g(g為自由落體加速度)和負(fù)向-7g的加速度載荷。

3 強(qiáng)度及應(yīng)力計(jì)算分析

3.1 靜強(qiáng)度計(jì)算

在x、y、z方向加速度載荷作用下，鑄鋁飛輪殼正面和背面的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖5 不同方向加速度載荷沖擊下的飛輪殼應(yīng)力分布云圖

由圖5可知：z正向沖擊下的最大應(yīng)力為219.7 MPa，z負(fù)向沖擊下的最大應(yīng)力為188.8 MPa，y正向沖擊下的最大應(yīng)力為213.4 MPa，y負(fù)向沖擊下的最大應(yīng)力為207.9 MPa，x正向沖擊下的最大應(yīng)力為211.3 MPa，x負(fù)向沖擊下的最大應(yīng)力為204.8 MPa。鑄鋁飛輪殼在各向沖擊下產(chǎn)生的最大靜應(yīng)力由z正向沖擊產(chǎn)生，最大應(yīng)力部位為左下側(cè)加強(qiáng)筋與飛輪殼端面接觸部位，低于所應(yīng)用材料ZL111的屈服極限220 MPa，靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 高周疲勞計(jì)算

飛輪殼在工作過程中，受到不同方向及大小的周期性載荷作用，會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷，有必要對(duì)飛輪殼進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析計(jì)算[10-12]。本文中計(jì)算分析結(jié)果為存活率99.99%的疲勞安全系數(shù)。

將應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT軟件，利用TRANSMAX模塊計(jì)算飛輪殼疲勞安全系數(shù)，飛輪殼高周疲勞云圖如圖6所示。由圖6可知，鑄鋁飛輪殼最小高周疲勞安全系數(shù)為1.263，高于1.1的限值要求，高周疲勞滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 飛輪殼高周疲勞云圖

3.3 應(yīng)力試驗(yàn)

a)左側(cè) b)右側(cè)圖7 飛輪殼應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)點(diǎn)

飛輪殼處于單軸應(yīng)力狀態(tài)，飛輪殼失效機(jī)理為交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞[13-14]。仿真計(jì)算結(jié)果表明危險(xiǎn)點(diǎn)主要分布在飛輪殼外圓加強(qiáng)筋位置，根據(jù)危險(xiǎn)點(diǎn)確定飛輪殼實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置，共布置12個(gè)單向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。

3.3.1 靜態(tài)裝配應(yīng)力測(cè)試

對(duì)鑄鋁飛輪殼進(jìn)行裝配應(yīng)力測(cè)試，裝配時(shí)使用扭矩扳手，按照擰緊工藝要求對(duì)角把緊飛輪殼螺栓至123 kN，擰緊過程中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)鐖D8所示，計(jì)算得到的各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力如表3所示。

圖8 鑄鋁飛輪殼裝配應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表3 裝配應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

由圖8及表3可知：測(cè)點(diǎn)3處的裝配應(yīng)力最大,為33.3 MPa;測(cè)點(diǎn)8處的裝配應(yīng)力最小,為-15.0 MPa。受靜態(tài)裝配應(yīng)力影響，鑄鋁飛輪殼所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，靜強(qiáng)度滿足要求。

3.3.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試

車輛滿載，在郊區(qū)施工道路和一般瀝青道路進(jìn)行起-停、顛簸、直線高速運(yùn)行、上坡、下坡等路況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9、10所示。

圖9 鑄鋁飛輪殼整車起-停應(yīng)變測(cè)試結(jié)果 圖10 鑄鋁飛輪殼整車道路應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

由圖9、10可知，整車起-停工況和行駛工況時(shí)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)7位置，且整車行駛工況最大應(yīng)力大于整車起-停工況最大應(yīng)力。對(duì)飛輪殼各測(cè)點(diǎn)滿載動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及壽命分析，結(jié)果如表4所示。

表4 動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對(duì)鑄鋁飛輪殼一般認(rèn)為108h以上則視為無限壽命。由表4可知，道路測(cè)試中，12個(gè)測(cè)點(diǎn)中有9個(gè)測(cè)點(diǎn)為無限壽命，測(cè)點(diǎn)1、3、7為有限壽命，最低壽命為78 600 h，預(yù)計(jì)最低壽命里程為300萬km以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)通過ABAQUS仿真分析可知:鑄鋁飛輪殼在z正向沖擊下的靜應(yīng)力最大，為219.7 MPa，靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2)飛輪殼最小高周疲勞安全系數(shù)為1.263，高于1.1的限值要求，高周疲勞滿足設(shè)計(jì)要求。

3)受靜態(tài)裝配應(yīng)力影響，鑄鋁飛輪殼所受應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，靜強(qiáng)度滿足要求。

4)12個(gè)測(cè)點(diǎn)中有9個(gè)測(cè)點(diǎn)為無限壽命，3個(gè)測(cè)點(diǎn)為有限壽命，最低壽命為78 600 h，預(yù)計(jì)最低壽命里程超過300萬km。