正时链罩断裂分析及解决方案*

2013-06-28梁景涛付雪超马文亮李慧军冯擎峰

机械研究与应用 2013年3期

关键词：惯性力螺栓方向

梁景涛，付雪超，马文亮，李慧军，由毅，冯擎峰

(吉利汽车研究院，浙江萧山 311228)

1 引言

内燃机功率输出主要靠曲轴，其转动是基本均匀的，但活塞连杆组运动极为不均匀，伴随着很大的加、减速度，产生超重上千倍的惯性负荷，对受力件的强度和耐久性影响很大，并导致振动和噪声［1］，对其附属件也会产生很大影响。

某发动机出现正时链罩连接右隔振垫处断裂如图1、2所示，导致发动机下沉、发动机无法正常工作。

图1 正时链罩断裂位置

笔者针对发动机正时链罩进行模态与强度的计算分析，以此判定正时链罩断裂处是否满足设计需求，找出故障原因，并根据分析结果，针对正时链罩结构制定合理的改进方向。

2 正时链罩的功用及断裂分析

2.1 正时链罩的功用

正时链罩与气缸体、气缸盖一起密封发动机内腔;其内部分布有润滑及冷却发动机的油道和水道，与气缸体、气缸盖一起共同完成发动机的润滑及冷却工作;同时正时链罩与发动机右支架一起支撑发动机悬置在车架上。

2.2 正时链罩断裂原因分析

根据图1所示，从正时链罩的断裂位置可以看出，断裂位置是发动机在车架上的悬置点，该处也是正时链罩受力最大点，初步分析是由于断裂处强度不足造成。

3 有限元分析

3.1 有限元分析前处理

笔者计算的有限元模型主要包括:正时链罩(集成正时链罩支架)、右隔振垫总成支架、连接缸盖与正时链罩的螺栓、连接两支架的螺栓及模拟缸体、缸盖等。

(1)材料属性进行有限元分析前需要了解零部件本身的属性，以便于进行分析，主要部件的材料属性如表1所列。

表1 主要部件的材料属性

(2)建立模型模态分析中，网格类型采用C3D10;强度分析中，网格类型二阶四面体单元(C3D10M)，单元共228 783个，节点共402 186个;有限元模型如图3、4所示。

图3 有限元分析模型

图4 有限元分析模型

3.2 分析方法

(1)模态分析设置各接触面接触属性为tie接触，约束模拟缸体、缸盖的运动自由度，所使用坐标系为:发动机后端指向前端为正X向，下端指向上端为正Z向，遵循右手定则。

(2)强度分析边界条件的施加位置及载荷力作用的大小分别见图5、表2，约束模拟缸体缸盖的运动自由度。分析模型的参考坐标系为:发动机后端指向前端为正X向，下端指向上端为正Z向，遵循右手定则。

图5 边界条件的施加位置

表2 载荷力作用的大小

4 分析结果

4.1 模态分析结果

前三阶的频率和振型结果如表3所列;图6～8为模型的前三阶振型图。

表3 模型前三阶的频率和振型

图6 模型第1阶振型

图7 模型第2阶振型

发动机主激励工作频率计算公式:

式中:n为发动机额定功率转速，r/min;k为常数，一般取1.2～1.4;a为阶次。

通过式(1)可得出，发动机在6 000 r/min时的三阶主激励工作频率为360～420 Hz;正时链罩及其支架的第1阶振动频率为394.6 Hz，该频率位于发动机3阶主激励工作频率内，诱发结构高速共振风险很大。

4.2 强度分析结果

计算正时链罩及其支架在7个工况下的强度，如图9～15所示。

图9 最大螺栓预紧力

15 最大螺栓预紧力+Z负方向惯性力

①最大螺栓预紧力;②最大螺栓预紧力+X正方向惯性力;③最大螺栓预紧力+X负方向惯性力;④最大螺栓预紧力+Y正方向惯性力;⑤最大螺栓预紧力+Y负方向惯性力;⑥最大螺栓预紧力+Z正方向惯性力;⑦最大螺栓预紧力+Z负方向惯性力。

图8 模型第3阶振型

图10 最大螺栓预紧力+X正方向惯性力工况

图11 最大螺栓预紧力+X负方向惯性力

图13 最大螺栓预紧力+Y负方向惯性力

由正时链罩在7个工况下的应力分布云图可以得出，在最大螺栓预紧力+Y正方向惯性力工况如图12所示、最大螺栓预紧力+Z正方向惯性力工况如图14所示和最大螺栓预紧力+Z负方向惯性力工况如图15所示下，有多处应力集中现象，且应力值超出了ADC12材料的许用应力228 MPa，已超过ADC12材料的屈服极限，且部分区域得应力集中区域较大，不满足静强度设计需求，容易诱发断裂现象。