重型柴油機EGR支架的輕量化改進研究*

解衛華，洪 洋，趙國江

(1.臺州科技職業學院 汽車與信息工程學院，浙江 臺州 318020；2.浙江邦得利環保科技股份有限公司，浙江 臺州 317000)

0 引 言

為了滿足嚴格的排放法規，重型柴油機普遍采用EGR(廢氣再循環)技術，可有效降低NOx排放。文獻[1]研究了氣體流速對廢氣再循環(EGR)冷卻器微粒污染的影響；嚴永華[2]對EGR的耐高溫性以及高低壓控制策略進行了研究；文獻[3]對EGR效率對部分負荷預混低溫燃燒影響進行了分析。

重型柴油機EGR支架需要較高的強度，以滿足柴油機工況要求。同時，為了降低運營成本，重型柴油機EGR支架需要進行輕量化設計。

國內外學者對于汽車零部件的輕量化進行了廣泛研究。何海濤等[4]基于整體車架模態分析了懸置支架，并進行了優化設計；袁廷輝[5]采用多目標優化方法對汽車尾門進行了優化設計；國外企業對汽車下擺臂進行了形狀優化分析[6]；吳成平等[7]對新能源汽車3種前艙支架設計方案進行了對比分析；廖君[8]對電動轎車車身進行了輕量化優化[9]，分析了彎曲和扭轉情況下優化變量的靈敏度；朱國華[10]對電動車復合材料車身骨架進行了多尺度分析；王登峰[11]對轎車懸架進行了多目標輕量化優化。

本文將以某重型柴油機EGR支架為研究對象，使用有限元分析的方法，對EGR整體模態與高加速度下的應力情況進行分析，并對EGR支架進行輕量化設計，以降低支架局部應力，提升EGR整體模態。

1 原EGR支架與輕量化要求

本文所研究的某重型柴油機排量13 L，最高轉速2 200 r/min，為直列六缸四沖程發動機，搭載的EGR如圖1所示。

圖1 某重型柴油機EGR

EGR由冷卻器、支架、卡箍組成，冷卻器總長761 mm，芯體使用18根高換熱率的板翅式冷卻管，冷卻器充滿水時總質量為12.5 kg，支架總質量為3.1 kg，卡箍厚度為2 mm，EGR整體質量約16 kg。

根據該重型柴油機的轉速、沖程、缸數及材料的相關屬性，輕量化改進要求如下：

(1)EGR整體質量小于15 kg;

(2)EGR一階模態避開110±20%Hz，其余各階大于250 Hz；

(3)在XYZ三向28G加速度下EGR支架的最大應力≤152 MPa。

2 有限元分析與結果

2.1 有限元分析

根據該重型柴油機EGR幾何模型，筆者使用ANSA軟件進行網格劃分，對卡箍進行簡化處理，使用殼單元進行網格劃分，同時將冷卻器假設成實體，質量平均分布，與支架一起使用四面體風格進行劃分，有限元網格模型網格數約7.6×105。

將EGR有限元網格導入ABAQUS，在冷卻器、支架、卡箍兩兩之間設置綁定約束，完全固定支架的8個螺栓孔，設置4個分析步，分別求解EGR整體模態、XYZ三向在28G重力加速度下的應力分布，其中，Y向為重力方向。

EGR支架材料為壓鑄鋁合金ADC12，密度為2 820 kg/m3，泊松比為0.33，彈性模量為70 GPa。

2.2 分析結果

該柴油機EGR整體模態分析結果如表1所示。

表1 EGR整體模態分析結果

由表1中可知：EGR整體一階模態為100 Hz，位于(110±20%)Hz以內，易與發動機發生共振，不滿足設計要求。

一階模態振型以X軸為中心軸前后擺動，EGR支架未能充分限制EGR整體擺動，如圖2所示。

圖2 EGR整體一階模態

重型柴油機在物流運輸過程中，路況復雜，加速度較高，需要進行XYZ三向加速度應力分析。

本研究分別分析XYZ三向在28G加速度下的應力情況，其中Y向為重力方向，分析結果如表2所示。

表2 高加速度下支架最大應力

根據JIS H 5302-2000《鋁合金壓鑄件》，壓鑄鋁合金ADC12抗拉強度為228 MPa，安全系數取1.5，最大應力應小于152 MPa。

由表2可知：在三向28G加速度下，支架最大應力為在202 MPa，超過設計要求，最大應力發生在Y向28G加速度下螺栓位處，如圖3箭頭所示。

圖3 Y向28G加速度下應力云圖

3 EGR支架輕量化改進

根據原支架分析結果和設計要求，確定EGR支架輕量化改進目標如下：

(1)將EGR原支架質量從3.1 kg減少到小于2.1 kg;

(2)將EGR整體一階模態從100 Hz提升到大于(110+20%)Hz，即132 Hz；

(3)在Y向28G加速度下EGR支架最大應力從202 MPa降至小于152 MPa。

為了達到以上輕量化改進目標，結合分析EGR整體模態與三向高加速度下分析結果，EGR支架輕量化改進如下：

(1)由于剛度貢獻大的支架底板與加強筯剛度不足，同時加強筯距固定螺栓孔距離較遠，EGR支架未能充分限制EGR前后擺動，故將支架底板和加強筋進行加厚，從原來8 mm增加到11 mm，并調整加強筋位置到螺旋孔處；

(2)Y向28G加速度下螺栓位處應力普遍大于135 MPa，應力最大為202 MPa，超過設計要求，因此本研究在螺栓孔加凸臺，增加螺栓孔整體受力面積，減少在支架螺栓處的局部應力；

(3)原支架底板在各加強筋之間應力值均小于50 MPa，遠低于設計要求152 MPa，剛度貢獻小，屬于冗余部分，可進行去除，從而降低無效重量；

(4)支架側板處與EGR之間的接觸面積較大，導致側板應力均小于50 MPa，可進行部分去除，故將支架側板進行減薄，從原來8 mm減少至3 mm。

根據以上EGR整體模態振型，與針對高加速度下的局部應力分析，本文對原EGR支架進行輕量化改進。

改進前后的重型柴油機EGR支架如圖4所示。

圖4 重型柴油機EGR支架模型

輕量化改進后，EGR支架質量從3.1 kg減少到2.0 kg，支架質量下降35.5%；EGR整體質量從16 kg減少到14.9 kg，質量減少6.9%。由此可見，EGR輕量化效果明顯[12]。

4 輕量化方案評估

4.1 EGR整體模態

本文對EGR支架輕量化方案進行網格劃分，網格類型與原方案一致，網格數約為6.9×105，使用相同的約束與邊界進行有限元分析。

有限元分析得到輕量化EGR整體模態結果如表3所示。

表3 輕量化EGR整體模態結果

由表3可知：輕量化改進后，EGR整體一階模態可達143 Hz，一階模態提升43%，滿足避開(110±20%)Hz的設計要求；其余各階模態均有一定幅度的提升。

EGR整體一階模態的振型仍為沿X軸擺動，如圖5所示。

4.2 高加速度應力分析

在三向28G加速度下，輕量化改進后EGR支架的最大應力如表4所示。

圖5 EGR整體一階模態

表4 高加速度下輕量化支架最大應力

方向支架最大應力/MPa應力降幅/(%)X向4.22.3Y向7762Z向3541

由表4中可知：輕量化EGR支架應力最大值仍發生在Y向，最大值為77 MPa，較同一工況下原EGR支架的202 MPa減少了62%；Y軸向剛度增加明顯，在X向和Z向的最大應力分別減少2.3%和41%。以上均滿足安全系數為1.5時，最大應力小于152 MPa的設計要求。

Y軸28G加速度下應力云圖如圖6所示。

圖6 Y軸28G加速度下應力云圖

Y向最大應力發生位置與原方案一致，如圖6箭頭所示。

本文根據EGR支架輕量化方案制做了樣件，樣件順利通過發動機臺架耐久試驗與實際裝車路試。

5 結束語

本文采用有限元方法，分析了某重型柴油機EGR整體模態和XYZ三向高加速度下支架應力情況，并對

支架進行了輕量化改進；根據分析結果對支架剛度貢獻大處進行了局部加強與調整，從而對支架進行了輕量化改進。

研究結果表明：支架改進方案較原方案質量下降35.5%，EGR整體模態上升43%；高加速度下的最大應力下降62%。可見，EGR支架輕量化效果明顯，達到了設計要求；并且樣件也順利通過了相關試驗。