一種機油加注口的設計
——整車匹配零件設計實例及驗證

龐承可，韋家襯，楊其悅，梁宇寧

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州545005）

0 引言

量產狀態的發動機匹配新車型時，因發動機艙及整車接口的不同，常需要對發動機的外圍管線、接口等重新布置設計，以適應整車匹配的要求。

本文中LJ469Q發動機匹配某型號微型卡車，該車的主駕駛位機艙蓋為封閉式設計的結構（如圖1），無法開啟。原發動機的機油加注口在主駕駛位的下方，直接匹配使用會給整車保養加注機油帶來不便。在不改變發動機艙結構的要求下，需要對發動機的機油加注口進行重新設計。

本文將從設計要求、間隙勘測、方案制定、分析及驗證等方面對該設計方案進行詳細描述。

圖1 某微卡發動機機艙

1 設計要求

根據經驗，在發動機與整車的匹配設計中，應該充分考慮發動機在整車上的振動，避免磕碰，發動機邊界與整車邊界的最小設計間隙應不小于25 mm～30mm[1]（本文中最小設計間隙要求為30 mm）。同時，新設計還應考慮產品的裝配工藝、成本控制、材料選用、耐久性等多方面的因素，本文的設計要求如表1所列。

表1 本文機油加注口的設計要求

2 機艙間隙勘測

本文中發動機可增加機油加注口的位置有：氣缸蓋罩和正時鏈盒兩處（如圖2），設計的開口需能保證加注機油時機油能夠順利流入機油盤[2]。

圖2 副駕駛機艙蓋方向視圖

在制定具體的設計方案前，本文根據發動機在機艙中布置的情況，利用三維軟件對數模相關位置進行勘察與測量（如圖3），以充分了解機艙的空間。相關的測量結果如表2所示，從機艙的間隙測量結果可以看出：（1）氣缸蓋罩和正時鏈盒的位置距離副駕駛位機艙蓋都較遠；（2）氣缸蓋罩頂部的間隙最小；（3）發電機頂部的空間充裕。

表2 機艙間隙測量結果

圖3 機艙間隙測量示意圖

3 方案制定及建模

考慮到正時鏈盒內部有較復雜的帶壓力的油道，開口避讓比較困難，且氣缸蓋罩在發動機的裝配順序較靠后，更便于今后的維修保養，故優先選擇在氣缸蓋罩上設計加油口。結合機艙的間隙測量結果，采用三維設計軟件建模，得到以下方案（如圖4）：

（1）從氣缸蓋罩處設計一根鋼管延伸至副駕駛位機艙蓋的正下方；

（2）氣缸蓋罩與延伸鋼管采用法蘭聯接，中間加耐油密封墊密封，法蘭用兩顆M6螺栓緊固；

（3）機油加注口部件選用鋼質材料機加而成，并與鋼管焊接在一起；

（4）延伸鋼管焊接一支架，用于支撐；

（5）加油口蓋選用現有的“一字擰”產品.

圖4 設計方案圖示

各零部件擬選用的材料及相關屬性[3]見表3.

表3 材料及相關屬性

4 分析及驗證

4.1 間隙校核

利用三維設計軟件對數模進行間隙測量，以校驗方案是否能符合設計間隙的要求。間隙主要包括兩方面：一是發動機本體零件之間的間隙；二是發動機與整車（機艙邊界）之間的間隙。

4.1.1發動機零件間的間隙

在發動機的零件設計中，一般要求零件間的間隙不小于5 mm，以避免零件之間的碰撞和摩擦。如因布置空間受限無法滿足，則應采取必要的固定措施或防摩擦措施。結合零件布置的情況，本文主要校核的間隙如圖5，測量結果匯總見表4.

圖5 發動機零件間隙測量示意圖

表4 發動機零件間隙測量結果

從以上測量結果看，法蘭—曲軸箱通氣膠管及支架—節氣門體出水膠管的間隙小于5 mm，其他的間隙滿足要求。為避免曲軸箱通氣膠管及節氣門體出水膠管在振動中摩擦破損，該設計方案需對膠管外部增加防摩擦護套處理[4]（如圖6）。

圖6 膠管外部加裝防摩擦護套

4.1.2 發動機與機艙邊界的間隙

從之前的間隙勘測的情況看，機艙間隙最小的地方出現在氣缸蓋罩上方，故氣缸蓋罩新增法蘭開口的位置需要特別注意。另外，機油加注口通過長距離的管道延伸至副駕駛位機艙蓋，機油口蓋頂部到機艙蓋的間隙也是需要校核的重點。相關位置測量情況如圖7，測量結果匯總見表5.

圖7 發動機與整車的間隙測量示意圖

表5 機艙間隙測量結果

結果顯示，發動機與機艙邊界的間隙滿足不小于30 mm的設計要求。

4.2 CAE分析

利用ABAQUS軟件對本文的設計方案進行模態和強度分析，作為輔助手段，驗證其結構的合理性[5]。

導入數模建立有限元網格單元，本文所有模型均采用C3D4單元。本文的分析重點在加油延伸管總成及氣缸蓋罩新增法蘭口，為計算簡便，氣缸蓋罩只截取部分模型，法蘭螺栓、密封墊和加油口蓋忽略不計。分析模型的材料及屬性按表3導入。

4.2.1 零件模態分析

對模型進行10階的模態分析。發動機運行在最高轉速6 000 rpm時，相應激振頻率為200 Hz，本文設定安全系數為1.2，則極限頻率為240 Hz.

如圖8結果所示，1階頻率260.86 Hz大于240 Hz（1~10階振型均大于240 Hz）。說明該模型完全避開發動機的激振頻率，能避免產生共振。

圖810 階模態分析結果截圖

4.2.2 零件強度分析

對模型加載20 g重力加速度，在振動工況的作用下，延伸鋼管靠近法蘭處出現最大應力值為30.64 MPa（如圖9），小于延伸鋼管材料的屈服強度245 MPa.在氣缸蓋罩模型中，法蘭接口圓角處出現最大應力17.85 MPa，小于氣缸蓋罩材料的屈服強度170 MPa.

分析結果說明，零件的結構及選用的材料可靠，強度滿足要求。

圖9 強度分析結果云圖

4.3 臺架試驗及效果驗證

零件按設計方案進行開發，樣件檢測合格后，裝配到發動機上，進行臺架400 h耐久試驗，同時驗證其裝配效果及加油效果，如圖10所示。

圖10 樣件在臺架上

試驗情況：樣件完成了400 h臺架耐久試驗，期間沒有出現斷裂、變形、漏油等情況。樣件裝配過程簡易，基本不影響原機零件的裝配順序，裝配完成后零件之間無干涉的情況；機油加注的過程流暢，無堵塞現象。

驗證結果表明，零件的功能和可靠性滿足設計要求。

5 結論

經過分析與驗證，本文所述的機油加注口設計方案，結構簡易可靠，設計緊湊，充分滿足整車間隙和對加油功能的要求，很好地解決了某型號微型卡車加注機油不方便的問題。在此設計實例中，可以得到一些經驗：

（1）設計前，先對發動機艙的間隙進行勘測，有助于提高設計效率和方案的形成；

（2）CAE分析手段，可以給零件結構的設計和材料選擇方面提供很好的參考；

（3）在可靠性驗證方面，臺架耐久試驗仍然是驗證新零件最直接有效的手段。