论文部分内容阅读
摘要：在发动机油底壳的设计过程中，除满足正常储油功能外，还应考虑油底壳对整机的噪声贡献。本文以某型号发动机为设计对象，根据整机参数要求，设计了与该发动机相匹配的铸铝材料油底壳。建立实体模型并进行了油量倾斜校核，保证在机油加注范围内机油的吸取，以及不发生曲轴搅动现象。对实体模型进行了模态仿真计算，确保模态满足要求。对振动薄弱点进行了设计优化改进，同时在油底壳内部增加了挡油板。改进后油底壳完全满足发动机使用要求。
关键词：发动机;油底壳;模态
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2020）22-0003-02
0 引言
随着现代工业技术的进步，汽车发动机向着高转速，高功率，高效率方向发展，对发动机润滑的要求也越来越高，同时，噪声的问题日益凸显，减少发动机的噪声辐射也变得更加关键[1]。发动机油底壳作为发动机的重要零部件，不仅起到密封曲轴箱、贮存机油并防止机油氧化的作用，更兼具增加发动机整体强度、减少表面辐射噪声的功能，是发动机润滑系统中不可缺少的组成部分。目前市面上广泛应用的油底壳结构为薄壁壳体结构，壁厚一般为0.8-3mm，材料为铸铁、铸铝壳体、冲压钢板、注塑树脂等，也有不同材料组合使用的型式。因此，满足集成、润滑以及NVH特性的发动机油底壳优化设计具有重大的意义。
1 实体模型的建立和机油倾斜校核
1.1 设计思路
油底壳设计需要参考发动机内部和外部的具体结构，根据发动机润滑需求及保养里程，确定整体的机油量需求，在设计油底壳具体结构时，需避免曲轴搅动机油以及吸油口吸入空气的情况同时保证外形尽量紧凑合理。影响油底壳设计的重要因素如下：
①发动机油量需求。某型号系列发动机排量为2.0L，保养里程5000公里，一般需要3-4L机油，因此油底壳的容积基本可以确定。
②发动机倾斜角度。设计油底壳结构时，液面位置需要考虑发动机布置的倾角。
③最小离地高度及发动机周边。油底壳的安装法兰面形状决定了容积的底面积，发动机离地最小高度决定了油底壳的最大高度，二者的乘积是油底壳的最大容积。
④曲柄连杆运动位置。设计油底壳机油液面高度时，应避免高于曲柄连杆机构最低点。
1.2 实体模型建立
参考1.1小节涉及到的主要因素，并根据发动机的实际使用需求，选用合适的材料，确定油底壳的壁厚，可以初步建立油底壳的实体模型。
某型号油底壳选用ADC12压铸铝材料，壁厚3mm，总容积约6L，参数固定后根据经验绘制初步实体模型。为后续的油量倾斜校核及模态计算做好准备。
1.3 倾斜校核
油底壳作为发动机的储油零部件，当整车在行驶过程中爬坡、转向或加减速时，贮存的机油较整车水平状态时会产生短时间的液面倾斜，为防止液面倾斜时吸油口长时间吸入空气，油气混合物进入润滑油路中造成润滑不良，在油底壳的设计过程中必须进行机油倾斜校核。某型号发动机的油底壳，机油校核需要按照最小机油加注量3L，倾斜方向如表1所示。
八方向机油校核校核结果如表2所示。
可以看出，按照最小加油量3L计算，该发动机油底壳在八个方向倾斜35°或45°时，机油液面可以完全覆盖吸油盘的吸油口，不会发生空气吸入的现象。
2 仿真模拟计算
2.1 动力学基础
对于多自由度的动力学系统，其方程为：
式中：[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{q}为节点位移向量;{F（t）}为节点的载荷向量。
在求取结构的固有频率及振型时，结构的阻尼可以忽略不计，因此，上式可以简化为没有阻尼的振动方程，具体形式是：。
2.2 仿真模型建立
使用上阶段创建的实体模型，通过网格划分建立有限元模型，模型中的材料属性根据经验提供，主要为ADC12铝合金材质。分析过程中采用ABAQUS软件进行前处理、分析计算和后处理[2];模态分析没有载荷，采用约束模态，油底壳与缸体接触的螺栓处，约束其自由度;仿真模拟评价油底壳的低阶振动频率与发动机的激励频率是否有共振的可能，以及低阶模态的振型;该分析过程及算法也适用于同类发动机油底壳的模态分析[3]。
2.3 仿真结果及分析
对铸铝油底壳实体模型进行模态仿真，按照ADC12材料计算，一阶模态如图1所示。
由以上结果可以看出，全铝油底壳的振动模态满足正常使用要求，但部分区域仍存在薄弱点。考虑一阶模态振动，图1表明，油底壳底部平面变形较强烈，实际使用过程中易产生鼓状噪声。另外，铸铝油底壳内部需要增加挡油板，除稳定油面的作用外，挡油板还能对油底壳产生拉力，起到强化的作用。
该模型模态满足要求，不会与发动机产生共振，但是局部区域仍需要优化，此外，还需要增加油底壳挡油板。
3 优化设计
3.1 加强筋的处理
改善油底壳结构的动刚度或增加阻尼等措施能够有效抑制振动2.3小节的一阶模态结果表明，油底壳底部平面振动较强烈，在振动强烈区域设置油底壳加强筋可以减弱底部振动，提升模态，因此应在详细设计中予以优化。设计时采用底面加强筋，连接油底壳底部平面和侧壁，提升强度减小振动。经过加强后的模型模态计算结果如图2所示。
结果表明：新增连接底面和侧壁的加强筋，不仅将一阶模态提升至1217Hz，更大幅度减轻了底面的振动，较大程度地削弱了鼓状噪声，对整体的振动抑制起到了良好的效果。
3.2 挡油板的设计
在车辆行驶过程中，由于车辆转弯、上下坡或加减速，机油极易产生因晃动形成的不稳定的机油液面，既影响曲轴运动，又不利于润滑系统对机油的吸取。挡油板的加入可以很好的起到控制液面晃动的作用，此外，挡油板通过螺栓与铸铝油底壳连接，还能起到提升整体强度的作用，对振动抑制起到积极效果。
挡油板采用冲压钢板材料，厚度1.2mm。挡油板位于油底壳中部，板中设有不同开孔，便于机油从发动机曲轴箱落入油底壳，同时不妨碍集滤器和机油标尺的安装，在挡油板的平面部分设有加强筋，增加强度提升模态。
挡油板的一阶振动模态如图3所示。
以上结果表明：挡油板的模态满足使用要求，不与发动机产生共振，增加挡油板的措施是合理且积极的。
4 结束语
发动机油底壳属于薄壁壳体结构，不仅要满足车辆日常使用需求，对噪声也有较大的影响，油底壳的设计和优化对噪声的抑制具有重大意义。本文根据某型号发动机的设计输入，设计了全铝材料的油底壳，建立了油底壳是实体模型，并模拟了八个方向油底壳机油液面的倾斜，能够满足苛刻条件下的机油吸入要求。通过仿真计算分析，油底壳模态处于较高水平。底部的振动薄弱点通过设计优化得到了很好的提升，同时挡油板的增加起到了稳定液面和提升模态的作用。经过设计和优化后的油底壳完全满足发动机使用要求。
参考文献：
[1]郭冬生，张峰昌.现代发动机油底壳设计思路[J].内燃机及零件.
[2]唐元春.油底壳有限元分析及优化设计[J].汽车设计.
[3]魏薇.基于ABAQUS的发动机油底壳优化设计[J].汽车工程师.
关键词：发动机;油底壳;模态
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2020）22-0003-02
0 引言
随着现代工业技术的进步，汽车发动机向着高转速，高功率，高效率方向发展，对发动机润滑的要求也越来越高，同时，噪声的问题日益凸显，减少发动机的噪声辐射也变得更加关键[1]。发动机油底壳作为发动机的重要零部件，不仅起到密封曲轴箱、贮存机油并防止机油氧化的作用，更兼具增加发动机整体强度、减少表面辐射噪声的功能，是发动机润滑系统中不可缺少的组成部分。目前市面上广泛应用的油底壳结构为薄壁壳体结构，壁厚一般为0.8-3mm，材料为铸铁、铸铝壳体、冲压钢板、注塑树脂等，也有不同材料组合使用的型式。因此，满足集成、润滑以及NVH特性的发动机油底壳优化设计具有重大的意义。
1 实体模型的建立和机油倾斜校核
1.1 设计思路
油底壳设计需要参考发动机内部和外部的具体结构，根据发动机润滑需求及保养里程，确定整体的机油量需求，在设计油底壳具体结构时，需避免曲轴搅动机油以及吸油口吸入空气的情况同时保证外形尽量紧凑合理。影响油底壳设计的重要因素如下：
①发动机油量需求。某型号系列发动机排量为2.0L，保养里程5000公里，一般需要3-4L机油，因此油底壳的容积基本可以确定。
②发动机倾斜角度。设计油底壳结构时，液面位置需要考虑发动机布置的倾角。
③最小离地高度及发动机周边。油底壳的安装法兰面形状决定了容积的底面积，发动机离地最小高度决定了油底壳的最大高度，二者的乘积是油底壳的最大容积。
④曲柄连杆运动位置。设计油底壳机油液面高度时，应避免高于曲柄连杆机构最低点。
1.2 实体模型建立
参考1.1小节涉及到的主要因素，并根据发动机的实际使用需求，选用合适的材料，确定油底壳的壁厚，可以初步建立油底壳的实体模型。
某型号油底壳选用ADC12压铸铝材料，壁厚3mm，总容积约6L，参数固定后根据经验绘制初步实体模型。为后续的油量倾斜校核及模态计算做好准备。
1.3 倾斜校核
油底壳作为发动机的储油零部件，当整车在行驶过程中爬坡、转向或加减速时，贮存的机油较整车水平状态时会产生短时间的液面倾斜，为防止液面倾斜时吸油口长时间吸入空气，油气混合物进入润滑油路中造成润滑不良，在油底壳的设计过程中必须进行机油倾斜校核。某型号发动机的油底壳，机油校核需要按照最小机油加注量3L，倾斜方向如表1所示。
八方向机油校核校核结果如表2所示。
可以看出，按照最小加油量3L计算，该发动机油底壳在八个方向倾斜35°或45°时，机油液面可以完全覆盖吸油盘的吸油口，不会发生空气吸入的现象。
2 仿真模拟计算
2.1 动力学基础
对于多自由度的动力学系统，其方程为：
式中：[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{q}为节点位移向量;{F（t）}为节点的载荷向量。
在求取结构的固有频率及振型时，结构的阻尼可以忽略不计，因此，上式可以简化为没有阻尼的振动方程，具体形式是：。
2.2 仿真模型建立
使用上阶段创建的实体模型，通过网格划分建立有限元模型，模型中的材料属性根据经验提供，主要为ADC12铝合金材质。分析过程中采用ABAQUS软件进行前处理、分析计算和后处理[2];模态分析没有载荷，采用约束模态，油底壳与缸体接触的螺栓处，约束其自由度;仿真模拟评价油底壳的低阶振动频率与发动机的激励频率是否有共振的可能，以及低阶模态的振型;该分析过程及算法也适用于同类发动机油底壳的模态分析[3]。
2.3 仿真结果及分析
对铸铝油底壳实体模型进行模态仿真，按照ADC12材料计算，一阶模态如图1所示。
由以上结果可以看出，全铝油底壳的振动模态满足正常使用要求，但部分区域仍存在薄弱点。考虑一阶模态振动，图1表明，油底壳底部平面变形较强烈，实际使用过程中易产生鼓状噪声。另外，铸铝油底壳内部需要增加挡油板，除稳定油面的作用外，挡油板还能对油底壳产生拉力，起到强化的作用。
该模型模态满足要求，不会与发动机产生共振，但是局部区域仍需要优化，此外，还需要增加油底壳挡油板。
3 优化设计
3.1 加强筋的处理
改善油底壳结构的动刚度或增加阻尼等措施能够有效抑制振动2.3小节的一阶模态结果表明，油底壳底部平面振动较强烈，在振动强烈区域设置油底壳加强筋可以减弱底部振动，提升模态，因此应在详细设计中予以优化。设计时采用底面加强筋，连接油底壳底部平面和侧壁，提升强度减小振动。经过加强后的模型模态计算结果如图2所示。
结果表明：新增连接底面和侧壁的加强筋，不仅将一阶模态提升至1217Hz，更大幅度减轻了底面的振动，较大程度地削弱了鼓状噪声，对整体的振动抑制起到了良好的效果。
3.2 挡油板的设计
在车辆行驶过程中，由于车辆转弯、上下坡或加减速，机油极易产生因晃动形成的不稳定的机油液面，既影响曲轴运动，又不利于润滑系统对机油的吸取。挡油板的加入可以很好的起到控制液面晃动的作用，此外，挡油板通过螺栓与铸铝油底壳连接，还能起到提升整体强度的作用，对振动抑制起到积极效果。
挡油板采用冲压钢板材料，厚度1.2mm。挡油板位于油底壳中部，板中设有不同开孔，便于机油从发动机曲轴箱落入油底壳，同时不妨碍集滤器和机油标尺的安装，在挡油板的平面部分设有加强筋，增加强度提升模态。
挡油板的一阶振动模态如图3所示。
以上结果表明：挡油板的模态满足使用要求，不与发动机产生共振，增加挡油板的措施是合理且积极的。
4 结束语
发动机油底壳属于薄壁壳体结构，不仅要满足车辆日常使用需求，对噪声也有较大的影响，油底壳的设计和优化对噪声的抑制具有重大意义。本文根据某型号发动机的设计输入，设计了全铝材料的油底壳，建立了油底壳是实体模型，并模拟了八个方向油底壳机油液面的倾斜，能够满足苛刻条件下的机油吸入要求。通过仿真计算分析，油底壳模态处于较高水平。底部的振动薄弱点通过设计优化得到了很好的提升，同时挡油板的增加起到了稳定液面和提升模态的作用。经过设计和优化后的油底壳完全满足发动机使用要求。
参考文献：
[1]郭冬生，张峰昌.现代发动机油底壳设计思路[J].内燃机及零件.
[2]唐元春.油底壳有限元分析及优化设计[J].汽车设计.
[3]魏薇.基于ABAQUS的发动机油底壳优化设计[J].汽车工程师.