發動機前罩殼結構設計及校核

雷正雨,潘文進

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

為匹配一款新開發的前驅鏈傳動發動機，需要進行發動機前罩殼結構設計。由于該發動機機構緊湊，所以必須將發動機的機油泵殼體和發動機前懸掛點融入該前罩殼結構中。

發動機前罩殼，是發動機正時傳動系統的外圍件。在皮帶傳動的設計中，它主要是為密封正時傳動系統、遮塵、吸聲減少正時傳動系統輻射噪聲的；而在鏈條傳動系統中，鏈系統需要潤滑用的機油也需要密封，所以前罩殼的結構就復雜化了，通常要與缸體、缸蓋、機油盤和缸蓋罩等部件連接，一起形成正時鏈傳動的密封倉。

下面以發動機零部件的設計流程，來進行發動機前罩殼的結構設計。

1 概念設計

概念設計包括選擇材質、確定結構、確定油路布置等，確定發動機前罩殼大致的結構設計。

（1）選擇材料。發動機前罩殼通用的材質有冷軋鋼板、工程塑料和鋁這三種。其中，冷軋鋼板適用于易沖壓成型的前罩殼；為了輕量化和降低成本，皮帶傳動的前罩殼則多采用塑料材質；鏈傳動的前罩殼由于結構復雜，不易沖壓成型，多采用鑄造的方式生產，故不適合采用冷軋鋼板，大多采用塑料或鋁鑄件。由于該前罩殼結構需要安置前懸掛點，對結構的強度要求較高，所以選用鋁為前罩殼的材料。

（2）確定結構。由于發動機結構緊湊，所以選擇將前罩殼與機油泵殼體設計成一體。這樣前罩殼結構設計時，需要考慮的接合面分別為：缸體前端面、缸蓋前端面和鏈系統布置，以及缸蓋罩和機油盤的密封形式。通過確定的以上接合面（如圖1所示），可以設計出前罩殼的大致輪廓（如圖2所示）。

（3）確定油路布置。由于在前罩殼與機油泵一體式設計中，通常需要考慮機油泵進出油路的布置。特別是當機油泵布置在前罩殼外側（即機油泵轉子蓋在外側）時，進出油路就需要布置在機油泵上。而且有時發動機缸體、缸蓋較緊湊，不方便布置油路，這時也可以將油路布置在機油泵上。由于該發動機缸體、缸蓋有合適位置布置油路，可以選擇機油泵在前罩殼內側的結構，這樣機油泵轉子蓋可以直接與缸體接觸，而機油泵的進出油口，可以直接放在轉子蓋上與缸體的油道連通。

圖1 接合面示意圖

圖2 初始輪廓圖

2 布局設計

在確定概念設計后，結合鏈系統布置、接口密封類型，可以詳細確定各接口和加強筋等結構。

（1）在做好前罩殼大致輪廓設計后，可以將選擇好的機油泵殼體部分，按整體設計好的位置放入前罩殼中，再適當調整好連接處的過渡。注意保證連接光滑和檢查壁厚、檢查與內側的鏈系統以及與外側附件輪系間的間隙即可。

（2）由于發動機的前懸掛安裝點在前罩殼上，而前罩殼大部分為殼體結構，因此需要合理布置好加強筋，才能使前罩殼的強度滿足安裝前懸掛的要求。由于前罩殼內部空間足夠布置加強筋，所以將加強筋布置在前罩殼內側，由于在內側要保留加強筋與鏈系統足夠的間隙，才能保證前罩殼與鏈系統不干涉，最后布置的加強筋如圖3所示。

圖3 布置加強筋后的結構

圖4 膠槽示意圖

（3）由于該發動機采用終身免維護的靜音鏈傳動，所以選擇前罩殼與氣缸體、氣缸蓋和機油盤的接合面采用涂膠密封，而氣缸蓋罩與前罩殼則采用氣缸蓋罩密封墊來密封。對于涂膠密封的接合面處，需要有膠槽來加強密封性能，因此需要合理布置膠槽如圖4所示。

3 詳細設計

詳細設計，是在布局設計的基礎上進行詳細的三維設計。前面已經設計好了前罩殼整體結構，在詳細設計階段，只需要將各連接處用合適的圓角過渡好。注意最后檢查壁厚、檢查與內側的鏈系統，以及與外側附件輪系之間的間隙。詳細設計后的三維圖如圖5所示。

圖5 詳細設計后的三維圖

4 CAE分析校核及優化

在詳細設計完成后，有了完整的三維模型，就可以用CAE軟件分析其結構的合理性。通過結構有限元分析，來確定設計的結構強度是否滿足設計要求，安全系數是否在允許范圍內。而模態分析，可以用于分析結構的振動特性，即確定結構的固有頻率和振型，它可以幫助分析設計的結構發生共振的頻率點，以避免由共振引起的破壞，也是諧響應分析、瞬態動力學分析以及譜分析等其他動力學分析的基礎。本次的設計分析，是在ANSYS Workbench V10.0軟件中完成的。具體過程如下：

（1）模型和材料物理性能輸入。將前面設計好的三維模型直接導入ANSYS Workbench V10.0軟件中。由于僅做有限元結構和模態分析，只需要有材料的物理性能即可。從軟件的材料庫中選擇好材料，并修改好材料的具體物理性能參數，將其材料物理性能賦給導入的前罩殼。導入的材料物理性能如表1。

表1 材料物理性能表

（2）網格劃分。利用ANSYS Workbench V10.0軟件，采用等四面體十節點實體單元，對前罩殼進行結構分析前的有限元網格劃分，將模型劃分138954個單元，231919個節點，節點單元網格劃分后的離散結構如圖6所示。

（3）施加邊界條件。在前罩殼的受力中，主要考慮前懸掛受力時的情況。為方便設計輸入，可以將發動機安裝的狀態等效成固定發動機，然后在前懸掛點上施加與發動機自重相同、方向向上的力（F1）。這樣只需固定前罩殼上的螺栓頭接觸面，再在與發動機接合面施加螺栓預緊力產生的壓力（F2）即可。如圖7所示，施加的力F1為1 600 N，F2為45 N。

圖6 離散結構圖

圖7 邊界載荷圖

（4）有限元分析及分析結果云圖。定義好個邊界條件和輸入后，經過軟件計算后，結果云圖如圖8所示。

圖8 有限元分析結果云圖

從圖8中可以看出，最大等效應力為31.53 MPa，最大剪切應力為18.17 MPa，最大變形量為0.004 695 mm，安全系數為2.624。經分析，最大應力比材料的屈服強度280 MPa小很多，在安全范圍內；安全系數也滿足一般大于1.5的設計要求。由最大應力位置可知，如果需要改進，可以將其位置的倒角半徑加大，或者將附近的螺栓孔外移。由于這兩處改動均受安裝條件和整機空間所限，且該設計已經滿足安全性要求，故未進一步改進。

（5）模態分析及分析結果。模態分析也要經過導入三維模型、定義材料特性、劃分離散網格、定義邊界載荷和設定模態分析類型數個步驟。其中，模態分析的邊界載荷定義（即邊界支撐類型）有數種方式：自由支撐、固定支撐和原裝支撐。其中原裝支撐，是最優工況狀態的邊界模擬，自由支撐可以分析出自振頻率特性，它和固定支撐都是原裝支撐的一種特殊工況。所以在本次分析中，采用了盡量接近原裝支撐的邊界約束——按安裝的固定和載荷來約束。最后的分析結果云圖如圖9。

圖9 模態分析結果云圖

從圖9的分析云圖可知，前罩殼一階模態頻率為1 430.76 Hz；二階模態頻率為2 883.99 Hz；三階模態頻率為3 025.71 Hz；四階模態頻率為4 006.78 Hz。由于發動機的轉速最高為6 000 r/min，計算成頻率為200 Hz。而前罩殼的計算模態前四階頻率均遠大于發動機自身的激振頻率的5倍（1 000 Hz），故可以判斷前罩殼安裝于發動機后不會發生共振，說明該前罩殼的結構設計在模態上符合設計要求。

5 結束語

經過以上設計和CAE分析校核，該發動機前罩殼的設計，滿足所需設計要求。

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