25.2_L柴油机摇臂的仿真分析与优化_周明明.pdf
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1、设计与计算柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷(总第183 期)25.2 L柴油机摇臂的仿真分析与优化周明明(上海新动力汽车科技股份有限公司,上海 200438)摘要:为了分析某25.2 L柴油机摇臂断裂的原因,借助Abaqus和FEMFAT有限元分析软件,对柴油机摇臂组件在运行工况下的结构应力及高周疲劳进行分析,并对摇臂危险区域进行优化后再次进行仿真分析,直到摇臂满足设计要求。结果表明:考虑装配过盈力时摇臂的峰值应力比未考虑过盈力时高10.6%,考虑装配过盈力时仿真结果与试验结果相吻合;直角卸油槽为摇
2、臂局部薄弱区域,使用圆弧形卸油槽代替直角卸油槽能有效降低局部应力集中;优化后摇臂峰值应力降低17.5%,摇臂抗疲劳性能得到提升。关键词:柴油机;摇臂;应力集中;仿真;优化Simulation and optimization of a 25.2 L diesel engine rockerZHOU Mingming(Shanghai New Power Automotive Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China)Abstract:The cause of broken happened on a 25.2 L diesel engine rocke
3、r was conducted,while Abaqus and FEMFAT finite element analysis softwares were used to analyze the structural stress and high cycle fatigue of diesel engine rocker components under working conditions,and the dangerous areas of the rocker were optimized and simulated until reaching the design standar
4、d.The results show that the peak stress of rocker with assembly interference force is 10.6%higher than that without assembly interference force,and the simulation results are consistent with the test results when assembly interference force is considered.The rightangle oil unloading groove is the lo
5、cal weak area of the rocker.Using the arcshaped oil unloading groove instead of the rightangle oil unloading groove can effectively reduce the local stress concentration.After optimization,the peak stress of the rocker is reduced by 17.5%,and the fatigue performance of the rocker is improved.Key wor
6、ds:diesel engine;rocker;stress concentration;simulation;optimizationDOI:10.3969/j.issn.1671-0614.2023.02.0020前言摇臂是发动机重要的运动部件之一,凸轮轴传递的推力经过摇臂转向后推开气门弹簧,控制气门的启闭,以保证发动机正常运转。发动机通过进气侧摇臂和排气侧摇臂控制进气阶段和排气阶段的开始、结束及持续时间 1。摇臂在发动机运转过程中受到凸轮轴推杆的巨大载荷,最大推杆载荷可达105 N以上,因此摇臂需要有足够的强度和刚度。在周期载荷作用下,摇臂在工作过程中绕摇臂轴做旋转运动。为了减缓摇臂的磨
7、损,摇臂轴孔内涂覆由耐磨材料制成摇臂衬套,过盈配合力使衬套附着在摇臂作者简介:周明明(1994),男,硕士研究生,助理工程师,主要研究方向为发动机结构有限元分析与优化。-5柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷(总第183 期)上,避免摇臂与摇臂轴的接触;润滑油经过摇臂轴流入摇臂,压力润滑减少了摇臂运动过程中的磨损,润滑油最终通过摇臂卸油槽回到油底壳。摇臂衬套和润滑油能有效减少摇臂磨损,延长摇臂使用寿命,保证摇臂在使用中满足高强度、大刚度和长寿命的需求。计算机辅助工程(CAE)是一种将被求解物体离散成按一
8、定方式连接在一起的单元组合,模拟或仿真原来的物体,进行数值求解的分析方法。随着现代力学、计算数学和计算机等学科的发展,CAE分析被广泛应用于零部件的设计生产验证过程 2。本文借助CAE模拟分析技术对某25.2 L柴油机排气侧摇臂进行有限元分析并进行结构优化,使用Hypermesh软件对三维模型进行网格划分、材料赋值、接触设置、载荷施加等,借助Abaqus Standard求解器在考虑和不考虑衬套过盈装配工况下分别求解摇臂表面应力,借助FEMFAT软件求解摇臂的高周疲劳安全系数。根据应力分布云图和高周疲劳安全系数模拟结论,综合评估摇臂的力学性能并进行优化设计,并对优化设计后的摇臂进行模拟分析及耐
9、久试验验证。1问题描述某25.2 L柴油机在耐久试验台上累计运行215 h后出现异响,拆机后发现第4缸排气侧摇臂下部断裂,发生断裂的摇臂实物图如图1所示。由图1可知:断裂源出现在摇臂卸油槽区域,裂纹源发生在卸油槽直角处,裂纹向着摇臂轴孔径方向发展,造成摇臂断裂,摇臂底部出现断裂,断裂处摇臂脱离摇臂本体。2构建有限元模型2.1 摇臂建模使用Creo软件对排气侧摇臂组件进行三维建模,包括排气侧摇臂、摇臂座、衬套、球销、球窝,以及摇臂调节螺钉和摇臂调节螺母等零件。排气侧摇臂组件的装配几何模型如图2所示,模拟中设置摇臂轴径向方向为x方向,排气侧摇臂指向摇臂座为正;摇臂座底面法向为 z 方向,摇臂座底部
10、指向顶部为正。排气侧摇臂与摇臂轴衬套设计尺寸分别为45+0.025+0 mm、45+0.090+0.035 mm,摇臂与摇臂轴衬套为过盈配合,最大过盈量为0.09 mm;摇臂轴衬套与摇臂座圈设计尺寸分别为42+0.025+0 mm与42-0.025-0.041 mm,摇臂座圈与摇臂轴衬套为间隙配合,最大间隙量为0.066 mm。在柴油机工作过程中,凸轮轴推力经推杆传递到摇臂上,推杆力在经过摇臂改变运动方向后,通过球窝控制气门的启闭,实现对气门的控制。图2排气侧摇臂组件几何模型图1断裂的摇臂-6柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023
11、 年第 2 期 第29 卷(总第183 期)为了简化计算模型,将推杆力施加在球销上,气门桥与球窝接触面设置为固定约束,使用Hypermesh软件对摇臂部件进行网格划分,网格均为四面体二次单元,网格及载荷施加如图3所示。图3中FEx为施加在摇臂上的载荷,FAssist为保持零件间接触的辅助力。2.2 边界与载荷输入借助多体动力学软件AVL Excite Timing Drive对柴油机在不同凸轮轴工作转角下推杆对排气侧摇臂施加的载荷进行模拟。当柴油机工作功率为960 kW时,排气侧摇臂在不同凸轮轴转角的载荷谱曲线如图4所示。施加在摇臂上的载荷为周期性载荷,图4中包含3个完整周期,选取第1个周期进
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