机油盘总成优化设计

2020-01-01郭文月蒙亦光曾科勋

装备制造技术 2019年10期

关键词：内腔加强筋油液

郭文月，蒙亦光，周全，曾科勋

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

机油盘总成包括机油盘本体与放油螺栓[1]，装配于发动机曲轴箱下部，主要功用为封闭曲轴箱并与之组成储油槽，防止混入杂质，并收集和储存由汽油机各润滑部件回流的润滑油，散去部分热量，防止润滑油氧化。

目前机油盘本体内腔存在设计过多的纵横交错的加强筋形成部分封闭区域以致部分油液无法流出与底部放油孔设计过高以致油液无法排净的问题，进而导致混合油液油品下降，最终影响发动机零部件润滑效果，零件使用寿命缩短。故需对机油盘总成进行结构优化。

1 发动机及机油盘总成现状

此型发动机是由柳州五菱柳机动力有限公司自主研发的首款涡轮增压直喷发动机。它具有结构紧凑、功率大、油耗低、转速高、噪音小、排放达到国ⅥB排放标准等特点，可广泛应用于MPV、SUV及轿车市场。

匹配该型发动机的机油盘本体采用铝合金材质并通过高压铸造成型[2]，前期内部腔体设计（如图1）存在过多纵横交错的加强筋，目的在于增加机油盘强度以及刚度、降低发动机噪音。但加强筋的过多交叉营造出较多封闭区域，以致后期更换油液形成阻碍，最终导致无法排净。此外，虽然机油盘的底面设计为与水平面夹角倾斜10°，但放油孔设计与内腔底面平行，同时放油孔下边沿与内腔底部有高度差（如图2），最终导致油液无法完全释放。

图1 俯视图

图2 局部视图

2 设计方案及优化

2.1 机油盘本体结构优化

鉴于前期设计的机油盘本体主要缺陷为未全面考量润滑油排放问题，进而出现混合油液油品不良，最终导致发动机润滑效果差，缩短零件使用寿命，故将上述两个部位进行重新设计并进行模态分析验证。

2.1.1 机油盘本体内腔加强筋重新设计方案

（1）机油盘本体内腔新型加强筋结构设计采用单线、矮型方案（如图3）。首先，为保证内腔本体的强度、刚性，必须采用加强筋结构。其次，内腔分布若干圆柱状凸起，其顶面有挡油板安装螺栓孔，故该加强筋需连接该凸起。最后，单线、矮型结构，不会形成交叉网状，油液流通顺畅、无障碍；同时加强筋大端厚度会减小，降低缩松、气孔的风险。采用该结构的后续工作优势还有，内腔数模简化，相应模具设计简化，减少人力成本，降低零件单价等。

（2）机油盘底部增加横向贯穿式加强筋设计方案。首先，简化内腔加强筋机油盘本体的强度一定会相应下降；此外，在不涉及机油盘本体外形更改的前提下，底部增加贯穿式加强筋是最优质的选择。该设计状态，后续模态分析中验证成功，符合设计要求。

图3 俯视图

图4 仰视图

2.1.2 机油盘本体放油孔重新设计方案

机油盘本体放油孔新型设计采用最低倾斜导流式设计方案。首先，该孔采用与机油盘本体内腔底面水平倾斜10°设计，此设计方便放油螺栓拧松的同时油液便依靠自由重力外流，流速快，便于快速排出；此外，该孔放置于机油盘内腔的最低平面，消除高度差，解决油液无法排净的难题。

图5 放油孔剖视图

3 模态分析验证

3.1 CAE软件使用及模型化简述

通过UG完成三维数模优化，使用SimLab前处理软件进行网格划分，网格类型均为C3D10M，网格尺寸为3 mm。使用Abaqus有限元分析软件进行求解及后处理。

3.2 边界条件简述

（1）边界约束：固定约束机油盘本体顶面、端面的6个自由度。

（2）蓝色质心点为压缩机，橘黄色区域为两个压缩机悬挂点与压缩机建立刚性单元Rbe2点，完成绑定连接。

图6 边界约束图

3.3 模型与材料物理性能输入

由于仅做有限元模态分析，只需要赋予材料的物理性能即可。从材料库中选择好材料（见表1），并修改好材料的具体物理性能参数，将其材料物理性能赋予机油盘本体。

表1 材料物理性能表

3.4 模态分析结果与简述

（1）机油盘本体一阶固有频率为302.42 Hz（如图7所示）。

图7 固有频率图

（2）机油盘本体一阶振型、一阶应变能（如图8、9所示）。

图8 一阶振型图

图9 一阶应变能图

（3）机油盘本体二阶振型、二阶应变能（如图10、11所示）

图10 二阶振型图

图11 二阶应变能

（4）机油盘本体三阶振型、三阶应变能（如图12、13所示）

图12 三阶振型图

图13 三阶应变能

3.5 模态分析结果简述

机油盘本体固有频率一阶数值最小，只需考量一阶固有频率与发动机激振频率比较即可。优化后机油盘本体一阶固有频率为 302.42 Hz，发动机6 000 r/min激振频率为200 Hz，预设设计安全系数为1.2～1.4，故优化后的机油盘固有频率满足设计要求。此外，与发动机激振频率最接近的一阶应变能，无明显位移与变形，符合设计需求。综合考量，优化后的机油盘油液释放的便捷性，优化后的设计满足要求。