商用車柴油機油底殼開裂問題分析及解決

柳國立　劉正勇　崔曉娟　李文祥　武斌

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

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商用車柴油機油底殼開裂問題分析及解決

柳國立劉正勇崔曉娟李文祥武斌

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

【摘要】通過對失效件進行材料性能、斷口、成型工藝、有限元仿真、整車試驗等分析，得出該款柴油機油底殼開裂問題是由油底殼剛度不足導致在發動機工作轉速范圍內發生共振而造成的。通過改進油底殼結構并提高剛度，使其固有頻率達到許用值以上，避免在發動機工作轉速范圍內發生共振。油底殼固有頻率測量試驗、整車道路試驗及發動機臺架共振試驗結果表明，改進方案可以有效解決該柴油機的油底殼開裂問題。

針對某款商用車柴油機油底殼出現開裂問題進行分析統計，其失效模式主要分為兩種：油底殼右側中部及左側放油螺栓圓角處開裂，平均故障里程為1.8×104～2.0×104km。該油底殼開裂問題在牽引車、載貨車及自卸車各車型上具有大致相同的故障率。該現象表明，該柴油機油底殼開裂問題與發動機負荷及其搭載的車型無關，屬于發動機本身固有的問題。為了查明油底殼開裂原因，需要從油底殼材料、生產過程及其固有特性等方面進行分析。

1　原因分析及改進措施

1.1斷口及材料特性分析

對油底殼開裂位置的斷口分析（圖1）表明，油底殼開裂性質為頻次較高的疲勞開裂，屬于某種機械應力性質的疲勞開裂，疲勞源均產生在油底殼內部。斷口分析不能確認機械應力來源，重點考慮油底殼的開裂是共振或機油重力作用的結果。

從油底殼材料分析結果可知，油底殼材料為St16（寶鋼提供），其元素含量（表1）、金相組織和硬度檢驗結果符合相關標準要求，未見異常。

1.2成型工藝分析

該款柴油機油底殼深度290 mm，分兩次拉深，拉深過程中涂油貼膜。成品件檢驗右側面中部最薄處約為1.76 mm，最大厚度減薄率10 %（實測原始板料厚度1.94 mm）；放油螺栓處在首次拉深后厚度最薄處為1.77 mm，二次拉深后厚度最薄處為1.68 mm，該處厚度減薄率為13.5 %，厚度減薄也滿足要求，油底殼生產工藝符合要求。1.3強度計算分析

圖1　斷口掃描結果

表1　油底殼材料元素含量　%

從圖2和圖3油底殼強度有限元計算結果可以看出[1]，在正常的慣性力等疲勞載荷作用下，油底殼開裂位置處的應力值小于5 MPa，遠低于材料本身的抗拉強度，不會發生疲勞開裂。

圖2　缸體及油底殼右側面應力分布

圖3　缸體及油底殼左側面應力分布

1.4模態計算分析

該款柴油機缸體下部的梯形框架由鑄鐵結構改為鋼板結構。由于鋼板結構梯形框架剛度小，可能對油底殼產生不利的影響，因此首先將兩種梯形框架對油底殼的影響進行比較計算。

有限元計算結果表明，在相同爆發壓力作用下，采用鋼板結構梯形框架比鑄鐵結構缸體裙部位移增加25 %（圖4），這將導致缸體傳遞給油底殼的激勵力增大，增加油底殼開裂風險。

圖4　缸體裙部位移計算結果

對采用鋼板結構和鑄鐵結構梯形框架兩種情況下的油底殼模態計算結果表明[2～4]，鑄鐵和鋼板梯形框架對油底殼的固有頻率沒有影響，兩種情況下的油底殼1階模態頻率都是108.63 Hz（表2）。由于油底殼1階模態頻率與柴油機轉速為2 160 r/min的缸內爆發壓力出現的頻率相對應，導致油底殼在發動機工作轉速范圍內有共振問題發生，其為該油底殼開裂的原因。

表2　改進前油底殼模態計算結果

由上述對開裂油底殼材料性能、斷口、成型工藝及有限元計算分析結果可知，油底殼開裂是由于本身剛度不足而導致其固有模態頻率低，且在發動機工作轉速范圍內與發動機爆發壓力的激勵頻率產生共振而致。

1.5改進方案制定

油底殼改進方案需要解決的主要問題是在發動機工作轉速范圍內抑制油底殼共振問題的發生。為避免共振問題發生，該款柴油機油底殼固有模態1階頻率必須大于120 Hz，以此作為油底殼結構改進的設計準則。

油底殼改進前的結構見圖5。該油底殼深度較大，左、右側各布置兩條較淺的加強筋，結構剛度較弱，另外該油底殼放油螺栓的安裝面與側板的過度圓角很小，非常容易導致應力集中。改進方案為在油底殼兩側面各布置3條較深的加強筋，并且把油底殼放油螺栓移到油底殼底部，消除油底殼局部應力集中問題，見圖6。

圖6　油底殼改進后結構

有限元仿真結果（表3）表明，改進后的油底殼側板1階模態頻率由改進前的108.63 Hz提高到178.42 Hz，2階頻率由原來的117.87 Hz提高到195.21 Hz，均高于發動機爆發壓力最高激勵頻率（120 Hz），不會產生共振，能夠滿足抑制共振問題發生的要求。

表3　改進前、后油底殼模態計算結果

2　試驗評價

2.1固有頻率測量評價

對改進前、后的油底殼進行固有頻率測試試驗。實車激勵模態試驗結果表明，改進前油底殼側板1階固有頻率為71.88 Hz，見圖7。改進后油底殼的剛度提高明顯，其固有頻率達到159.2 Hz，見圖8。說明油底殼改進后能夠有效避開發動機工作轉速范圍內的激勵頻率，避免共振。

圖7　改進前油底殼頻響函數

圖8　改進后油底殼頻響函數

2.2整車道路試驗評價

對改進前、后的油底殼進行整車道路試驗，結果如圖9和圖10所示。試驗結果表明，采用改進前油底殼時，整車在各擋位緩慢加速和勻速行駛，油底殼測量點在76.5～81.0 Hz區間功率譜密度出現峰值，該頻率是發動機1 530～1 620 r/min的缸內爆發壓力激勵頻率，表明在此轉速范圍內，在缸內爆發壓力作用下，油底殼測量點發生了共振；采用改進后的油底殼進行試驗時，在整個發動機轉速范圍內，沒有高級別功率譜密度峰值出現，油底殼測量點處沒有共振問題發生。

（a）改進前油底殼

圖10　8擋勻速1 600 r/min各測點應變功率譜密度

2.3發動機臺架試驗評價

對改進前、后的油底殼進行發動機臺架試驗測試，試驗結果見圖11。試驗結果表明，改進前油底殼的整體振動偏大，且集中在1 148 r/min、118 Hz下，振動數值最高達到213.6 mm/s，共振明顯；改進后油底殼的個別測點的部分方向振動數值達到80 mm/s的限值，其余測點大部分在60 mm/s以下，沒有共振發生。改進后的油底殼進行147 h共振耐久試驗，沒有發生開裂問題，通過共振試驗考核。因此，改進后的油底殼能夠有效抑制共振問題的發生，其開裂問題得到徹底解決。

圖11　改進前、后發動機臺架油底殼共振試驗結果

參考文獻

1王勛成.有限元法基本原理和數值方法（第2版）.北京：清華大學出版社，1995.

2李平.YN4102油底殼的自振特性研究.車輛與動力技術，2002（4）：16～18.

3Yuan Zhaocheng,Zhang Liang.Modal analysis and structure analysis for oilpan of 4118Z diesel engine.Automotive Engi?neering,2001,23:156～159.

4Lu Xiaojun,Liang Jie.Vibration modal analysis of 492Q en?gine’s oil pan.China Journal of Highway and Transprot, 2001,14:115～118.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年7月14日。

Analysis of Oil Pan Cracking of Commercial Vehicle Diesel Engine and Solution

Liu Guoli, Liu Zhengyong, Cui Xiaojuan, Li Wenxiang, Wu Bin
（China FAW Co., Ltd. R&D Center）

【Abstract】Through analysis on materials properties, fracture and molding technique, FEA simulation of the failure parts and vehicle tests, it is concluded that oil pan cracking is caused by insufficient stiffness of oil pan, leading to resonance in engine working speed. By improving oil pan structure and its stiffness, and improve its inherent frequency above the allowable value, avoiding resonance in engine working speed. The results of oil pan inherent frequency measuring test, vehicle road test and engine bench resonance test show that the optimization can effectively prevent the oil pan from cracking.

Key words:Diesel Engine，Oil Pan，Cracking，Resonance

中圖分類號:U464.137

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）02-0007-04

主題詞:柴油機油底殼開裂共振