汽車發(fā)動機(jī)用隔熱罩設(shè)計及模態(tài)優(yōu)化

王天成

沈陽航天三菱汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司，遼寧沈陽 110179)

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)用隔熱罩主要分為3種：安裝在增壓器上的增壓器隔熱罩、安裝在排氣歧管上的排氣歧管隔熱罩和安裝在氣缸蓋罩上的氣缸蓋罩隔熱罩。隔熱罩主要通過自身結(jié)構(gòu)阻隔熱流傳播，降低所保護(hù)零件的表面溫度并對熱流起導(dǎo)向散熱的作用。隔熱罩材料采用熔融鍍鋁鋼板(如SACD系列)或冷軋鋼板(如SPCC系列)，結(jié)構(gòu)上常采用雙層結(jié)構(gòu)，中間有時會夾有無石棉隔熱消音板。鋼板與隔熱消音板固定連接往往會采用以下幾種方式：鉚釘鉚接、凸點鉚接、激光點焊、包邊焊接(見圖1)。

隔熱罩本身結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但往往臺架試驗和實車運(yùn)行故障率較高(破壞照片見圖2)，這主要是隔熱罩需要滿足的設(shè)計要求較多，尤其是模態(tài)要求標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)。本文作者運(yùn)用CATIA及ABAQUS軟件，通過實際案例說明隔熱罩的設(shè)計方法及設(shè)計要求，并總結(jié)敘述隔熱罩模態(tài)優(yōu)化的方法。

圖2 隔熱罩破壞照片

1 隔熱罩設(shè)計方法

隔熱罩隸屬于鈑金零件，通過沖壓工藝制作完成，其上會有安裝點、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)。為了在數(shù)模上實現(xiàn)這些特征，一般采用曲面設(shè)計和實體設(shè)計兩種方式進(jìn)行繪制。

1.1 曲面設(shè)計

曲面設(shè)計是指通過對曲面輪廓增加特征的方式進(jìn)行繪制。以圖3所示的排氣歧管隔熱罩為例，曲面設(shè)計方式如下所示：

首先根據(jù)排氣歧管外部輪廓，運(yùn)用曲面偏移命令在保證與排氣歧管最小間隙大于5 mm的前提下，畫出隔熱罩概念結(jié)構(gòu)(見圖4)。

之后在其上設(shè)置安裝點結(jié)構(gòu)(見圖5)，安裝點結(jié)構(gòu)常是帶有拔模斜度的圓臺。圓面處與排氣歧管上安裝點是否貼合取決于最終曲面加厚時的方向，若曲面向外側(cè)加厚則應(yīng)貼合，若向內(nèi)側(cè)加厚則應(yīng)保留隔熱罩厚度尺寸的距離(此例中向外加厚)。隔熱罩安裝點處結(jié)構(gòu)根據(jù)排氣歧管上安裝點位置或上凸圓臺或下凹圓臺，但盡量避免圖6中的上凸下凹都包含的結(jié)構(gòu)，因為其實際制作工藝較為困難，制作成本較大。

圖5 增加安裝點結(jié)構(gòu)

圖6 上凸下凹結(jié)構(gòu)

然后在隔熱罩上較為平整、明顯醒目的位置設(shè)置防燙標(biāo)識。防燙標(biāo)識深度為2～3 mm，如圖7所示。

圖7 增加防燙標(biāo)識

之所以先布置安裝點結(jié)構(gòu)、防燙標(biāo)識，是因為這兩個結(jié)構(gòu)是隔熱罩必需保證的結(jié)構(gòu)，應(yīng)優(yōu)先設(shè)計。其他諸如加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體情況調(diào)整，一般是圍繞這兩個結(jié)構(gòu)布置展開的。

之后根據(jù)實際需要布置加強(qiáng)筋，根據(jù)外圍邊界切除調(diào)整間隙較小的部分，同時將隔熱罩上直角棱邊圓角化處理，見圖8。

圖8 加強(qiáng)筋和優(yōu)化小間隙結(jié)構(gòu)

最后對成型曲面增加厚度(見圖9)，并根據(jù)實際需要選擇性增加通氣孔。通氣孔的作用是防止熱量積存在隔熱罩與排氣歧管之間造成長時間過熱負(fù)荷，在外界允許范圍內(nèi)適當(dāng)釋放一部分熱量。

圖9 增加厚度

1.2 實體設(shè)計

實體設(shè)計是指通過設(shè)計實體結(jié)構(gòu)來繪制包絡(luò)面，提取包絡(luò)表面并加厚的方式。相比于曲面設(shè)計，最大優(yōu)點是隔熱罩上的結(jié)構(gòu)可以通過實體命令的排列組合設(shè)計出來。很多過程實體設(shè)計一步就可以完成，而曲面則需要多步并且容易報錯。以增壓器隔熱罩為例，實體設(shè)計方式如下所示：

首先根據(jù)增壓器外部輪廓(見圖10)運(yùn)用實體命令畫出隔熱罩概念結(jié)構(gòu)(見圖11)，繪制時需保證與增壓器間隙不小于5 mm。隔熱罩實體邊緣處需有棱邊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是曲面提取的邊界面，到此為止不會提取到側(cè)面。

圖10 增壓器蝸殼結(jié)構(gòu) 圖11 隔熱罩概念結(jié)構(gòu)

(實體設(shè)計)

之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化，主要布置安裝點結(jié)構(gòu)，增加避讓增壓器法蘭的結(jié)構(gòu)、增壓器執(zhí)行器桿運(yùn)行軌跡避讓結(jié)構(gòu)等，并與概念結(jié)構(gòu)圓角化過渡，見圖12。

然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，增加加強(qiáng)筋、翻邊、外圍邊界避讓等結(jié)構(gòu)，并在安裝點處增加安裝孔，見圖13。

圖12 結(jié)構(gòu)細(xì)化 圖13 結(jié)構(gòu)修飾

最后提取實體表面，并設(shè)置隔熱罩厚度值，如圖14所示。此外對于圖15中的尖銳棱邊，需倒圓角處理。

圖14 設(shè)置厚度值

圖15 尖銳棱邊圓角處理

2 隔熱罩設(shè)計要求

隔熱罩?jǐn)?shù)模設(shè)計完成后是否可以制作零件，還需滿足一定的設(shè)計要求。即在詳細(xì)設(shè)計完成后與零件制作之間還需進(jìn)行設(shè)計校核，詳細(xì)內(nèi)容如下。

2.1 空間間隙

隔熱罩在發(fā)動機(jī)工作過程中，其未固定部分會發(fā)生振動，易與周圍零件碰撞造成損壞。同時對于增壓器執(zhí)行器桿這種運(yùn)動部件，隔熱罩設(shè)計間隙也尤為重要。此外對于隔熱罩這種鈑金件，其制作誤差本身就大，這一方面影響也需考慮在內(nèi)。

因此隔熱罩與非運(yùn)動零件間隙需不小于5 mm，與運(yùn)動零件間隙需不小于8 mm；為防止熱流沿著間隙過量散出，間隙最大不得大于20 mm。隔熱罩與非運(yùn)動件間隙設(shè)置界面如圖16所示。

圖16 隔熱罩與非運(yùn)動件間隙

2.2 裝配工藝性

裝配工藝性既包括隔熱罩本身裝配工藝性，又包括不影響其他零件的安裝。隔熱罩自身安裝需注意以下幾點：安裝點處平面結(jié)構(gòu)半徑需比螺栓安裝工具半徑大2 mm以上；螺栓盡量水平或從上向下擰緊，避免出現(xiàn)從下向上安裝的結(jié)構(gòu)(否則裝配工人需蹲下抬頭擰緊，影響生產(chǎn)節(jié)拍)；隔熱罩安裝工具在行程中不要與周圍零件干涉(如圖17所示)等。

隔熱罩不影響其他零件安裝主要體現(xiàn)在隔熱罩本體不要擋住其他零件安裝工具的運(yùn)行。如圖18所示，增壓器法蘭上有4個安裝在氣缸蓋上的安裝孔，其螺栓安裝工具行程被隔熱罩擋住，只得更改生產(chǎn)工序，將原來隔熱罩與增壓器裝好后一起裝到氣缸蓋上，變更成先裝增壓器再裝隔熱罩的方式。

圖17 隔熱罩安裝工具 圖18 隔熱罩本體影響增壓器安裝與管路發(fā)生干涉

2.3 鹽霧試驗

隔熱罩為金屬件，長時間在環(huán)境中裸露容易生銹腐蝕，影響使用性能。因此其材料兩側(cè)表面會采用鍍鋅或鍍鋁的方式提升耐腐蝕性，同時還要滿足鹽霧試驗的要求。

鹽霧試驗是指將隔熱罩固定在封閉容器內(nèi)，對隔熱罩兩側(cè)進(jìn)行鹽水噴霧。根據(jù)材料表面鍍鋁或鋅質(zhì)量密度的不同，噴霧時間也不相同，詳見表1。試驗完成后取出用肉眼觀察，每30 cm2上的銹斑數(shù)量需不大于6個，且不允許有直徑大于2 mm的銹斑出現(xiàn)，這樣才算滿足鹽霧試驗要求。

表1 鹽霧試驗要求

2.4 隔熱率試驗

隔熱罩隔絕熱量傳播的能力稱為隔熱率。隔熱率試驗是指熱源與隔熱罩以一定距離固定，當(dāng)熱源達(dá)到某一溫度并穩(wěn)定時，測量隔熱罩冷面?zhèn)?即隔熱罩遠(yuǎn)離熱源的一側(cè))10 mm處的溫度值，并通過與熱源溫度對比確定隔熱率。對于普通汽車發(fā)動機(jī)而言，排氣系統(tǒng)外表面溫度最高為900 ℃左右。實際隔熱率試驗中為降低成本縮短時間，只需對熱源最高溫度時的隔熱率進(jìn)行測量，其他熱源溫度時隔熱罩冷面測量點的溫度都會比此溫度值低，不用再測量。

通常熱源設(shè)置為恒溫900 ℃，熱源與隔熱罩間距20 mm，穩(wěn)定后要求隔熱罩冷面?zhèn)?0 mm處溫度需小于150 ℃。

2.5 制作工藝性

制作工藝性是指在制作設(shè)備和工藝能力允許范圍內(nèi)，能否將隔熱罩合格地制作出來。一般詳細(xì)數(shù)模定型后，需發(fā)送供應(yīng)商進(jìn)行沖壓模具、成型模具、組合卡具的設(shè)計以及材料延展情況模擬，確定可以實現(xiàn)后反饋制作工藝信息。但作為設(shè)計人員，一些常見需要注意的結(jié)構(gòu)應(yīng)該了解，以下簡要說明：

(1)相鄰靠近的兩筋不要同向沖壓，需調(diào)整成相反方向，見圖19。否則沖壓容易出現(xiàn)負(fù)角，兩筋結(jié)構(gòu)會相互影響造成較大形狀誤差。

圖19 相鄰較近加強(qiáng)筋應(yīng)反向

(2)沖壓凹槽的深度不應(yīng)超過8 mm，否則凹槽側(cè)面拉伸過薄容易出現(xiàn)裂紋或斷裂。圖20給出了一個示例。

圖20 沖壓凹槽深度

(3)對于需避讓的開口區(qū)域，開口形狀要設(shè)置成“U”形而不是“V”形，防止應(yīng)力集中。同時“U”形結(jié)構(gòu)中間圓角盡可能大，中間區(qū)域最好能帶有直線段結(jié)構(gòu)，如圖21所示。

圖21 “U”形避讓結(jié)構(gòu)

(4)鉚點距隔熱罩邊緣輪廓應(yīng)在8 mm以上，見圖22，以保證鉚接強(qiáng)度，防止翹曲變形造成鉚接點開裂。

圖22 鉚接點距邊緣距離

2.6 模態(tài)

發(fā)動機(jī)上最大鈑金沖壓件是隔熱罩，且它與固定零件并非全面約束，只是通過幾個安裝點局部固定。再者為防止其振動幅度過大，隔熱罩需滿足一定的剛度要求。

各階模態(tài)中屬一階模態(tài)值最小，仿真模擬時重點關(guān)注一階模態(tài)值。以直列4缸發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速6 000 r/min為例，其共振頻率200 Hz?？紤]到一定的安全系數(shù)，實際要求模態(tài)值須大于280 Hz,分析結(jié)果見圖23。但需注意，對于中間夾有隔熱消音棉的隔熱罩，計算時應(yīng)去除其厚度，隔熱罩直接按金屬板總厚度計算模態(tài)。

圖23 隔熱罩模態(tài)

3 模態(tài)優(yōu)化

隔熱罩詳細(xì)數(shù)模完成后，其模態(tài)基本上都需要反復(fù)優(yōu)化才能滿足要求。此節(jié)通過實際應(yīng)用案例，概括闡述隔熱罩模態(tài)優(yōu)化的方法。

3.1 調(diào)整安裝點

調(diào)整安裝點包括兩種：改變安裝點位置或結(jié)構(gòu)、增加安裝點。隔熱罩安裝點對隔熱罩本身起約束作用，約束越大模態(tài)值越大。改變安裝點位置或結(jié)構(gòu)是指將安裝點均勻分布在隔熱罩包絡(luò)面上，避免集中，同時在條件允許情況下?lián)Q裝大規(guī)格螺栓固定(比如M6螺栓改成M8螺栓)。增加安裝點主要是在原有安裝點無法改變時，在薄弱處增加固定約束點，見圖24。這種方式見效快但增加成本，需權(quán)衡考慮。

圖24 薄弱處增加安裝點

3.2 調(diào)整加強(qiáng)筋

調(diào)整加強(qiáng)筋包括改變加強(qiáng)筋位置、改變加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、增加加強(qiáng)筋3種。加強(qiáng)筋作用是將應(yīng)力傳遞到安裝點處進(jìn)行釋放，降低局部應(yīng)力應(yīng)變值。因此改變加強(qiáng)筋位置主要是將加強(qiáng)筋指向安裝點處。改變加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)是指對原有加強(qiáng)筋加大加寬加長(見圖25)，或改變加強(qiáng)筋截面形狀，這種變更只需修改沖壓筋模具。增加加強(qiáng)筋則是在既有加強(qiáng)筋無法優(yōu)化或效果不佳的情況下，增加其數(shù)量，需增加沖壓筋模具。

圖25 調(diào)整加強(qiáng)筋

3.3 去除余肉

有時計算模態(tài)發(fā)現(xiàn)，模態(tài)值偏低的位置其結(jié)構(gòu)沒有作用可以去除，此時切除這部分余肉可以很大程度上提高模態(tài)。并且這種方法還可節(jié)省零部件材料，降低零件成本。

圖26 去除余肉

3.4 大曲面結(jié)構(gòu)

大曲面結(jié)構(gòu)是指隔熱罩整體設(shè)計成等半徑的曲面結(jié)構(gòu)，使原始鋼板本身剛度提升的方法。這是隔熱罩開始設(shè)計時的首要步驟，其他安裝點結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋等再在其上布置。如圖27圓圈區(qū)域所示，設(shè)置半徑為70 mm的大曲面結(jié)構(gòu)。

圖27 大曲面結(jié)構(gòu)

3.5 大圓角過渡

大圓角過渡是指增大結(jié)構(gòu)上圓角大小(見圖28)，形成局部曲面。同時不同結(jié)構(gòu)間通過圓角圓滑過渡，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中、約束力無法傳遞以及褶皺裂紋等現(xiàn)象。

圖28 大圓角結(jié)構(gòu)

3.6 加翻邊

加翻邊(見圖29)主要是在隔熱罩邊緣翹起一條翻邊結(jié)構(gòu)，可以整體提高零件剛度，只是提高模態(tài)值的程度較小。此外加翻邊還可提高零件美觀性和安全性，防止隔熱罩鋒利邊緣劃傷裝配工人。

圖29 加翻邊

3.7 增加厚度

有時隔熱罩剛度不足是由于材料厚度選配較小造成的，此時應(yīng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)板材厚度選擇較大厚度板材。對于局部剛度不足則可以局部增加零件厚度，但需進(jìn)行CAE仿真。如圖30所示，隔熱罩安裝支架剛度較低，共振耐久試驗時斷裂，之后將支架厚度由2 mm改成3 mm，試驗通過，順利量產(chǎn)。

圖30 剛度不足導(dǎo)致支架斷裂

3.8 增加減震墊

隔熱罩安裝點處直接與固定零件接觸，安裝點周圍屬于約束與非約束分界區(qū)域，極易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。為緩解隔熱罩振動，隔熱罩安裝點處會增加如圖31所示的減震墊。它本身是圓環(huán)型結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外鎖扣壓緊中間減震襯墊構(gòu)成，依靠減震襯墊緩解振動。

圖31 減震墊結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

隔熱罩屬于發(fā)動機(jī)保護(hù)性零件，其性能好壞直接影響排氣系統(tǒng)的運(yùn)行。隔熱罩設(shè)計也是發(fā)動機(jī)設(shè)計中的重要一環(huán)。本文作者通過列舉案例，介紹了隔熱罩曲面設(shè)計和實體設(shè)計方法，概括說明設(shè)計之后需要校核的設(shè)計要求。并針對隔熱罩模態(tài)優(yōu)化的問題，系統(tǒng)闡述了幾種調(diào)整方法。文中內(nèi)容是基于實際生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)驗性總結(jié)，運(yùn)用此內(nèi)容指導(dǎo)的隔熱罩已搭載許多車型走向市場，對之后新機(jī)型隔熱罩設(shè)計具有指導(dǎo)意義。