應用proe分析獨立懸架客車機油泵供油案例

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

【摘要】該論文詳細地論述了應用proeNGINEER分析獨立懸架客車車用發動機在爬坡30°角時機油泵供油情況。目的是解決我公司給江淮廠獨立懸架豪華客車配的國產發動機,在原4102BZQ發動機基礎上進行改進后,能否在爬坡30°時正常工作。首先,我們對發動機在工作時油的變化情況進行分析,確定變量是油面高度HIGH、油面OIL_SURFACE及浸在油中零件的體積;不變量是油的體積。從中找出它們之間的關系:“油體積=總體積-零件體積”。其次,我們建立了分析模型,簡化相關零件的結構,為分析和計算打基礎。最后,我們進行分析和計算,創建了三個分析特征,進行靈敏度分析和可行性分析,計算出獨立懸架客車車用發動機在爬坡30°角,油底殼中的加油量取下限值時,油面的高度大于吸油盤高度,準確值為5.28mm,從而判斷發動機在工作極限時,機油能夠滿足供應,發動機可以正常工作。通過我們在proeNGINEER中進行的詳細分析,不僅為獨立懸架式發動機研制成功提供了可靠的理論依據,同時也在proeNGINEER分析方面做了初步探索。

【關鍵詞】proeNGINEER 懸架客車爬坡供油

獨立懸架客車是江淮廠生產的一種豪華客車,它具有行駛時減震性好,非簧載質量小,汽車行駛平均速度高,發動機總成位置可以降低和前移,從而降低重心等優點。原來該車配日產柴發動機,但現在想降低汽車價位,欲配裝國產發動機,廠家經選型后,決定選用我公司4102BZ系列發動機。我公司和技術中心領導非常重視該事情,即派人到江淮廠了解汽車廠具體要求,決定在4102BZQ發動機基礎上進行改進,成為獨立懸架式發動機。

4102BZQ發動機,采用增壓技術,提高柴油機的升功率和經濟性,具有體積小、重量輕、功率大、油耗低、低排放、低噪聲、易起動等優點,是21世紀最新產品。但我公司4102BZQ發動機油底殼大頭朝后,與獨立懸架汽車的轉向拉桿干涉。因此必須對現有的發動機結構進行改造,才能滿足獨立懸架客車配車的需求。經過分析確定了改進方案:

(1) 油底殼大頭轉到前端,并將油底殼后端高度減小,讓出轉向拉桿的位置,避免油底殼與轉向拉桿干涉。

(2) 機油泵的驅動方式保持不變,這樣可以較好地保證機油泵進油、回油。

(3) 確定汽車爬坡30°角時,機油泵底部的集濾器吸油盤底沿能否浸在油面以下,從而分析發動機能否正常的工作。

對于此改進方案,要解決的最關鍵的問題是分析機油液面處于油尺下限,汽車爬坡30°角時,機油泵能否提供足夠的機油。這個問題必須得到準確的驗證,它將直接影響發動機工作的性能,一旦出現機油泵供油短缺,那么發動機將會出現抱瓦現象,致使整機報廢,后果非常嚴重?；诖朔N情況,目前技術中心實驗室還沒有先進的儀器來檢測汽車在行駛時油底殼中機油液面變化情況。因此我們必須用proeNGINEER分析獨立懸架客車車用發動機在爬坡30°角時機油泵供油情況。

1 方案分析

首先假設汽車在爬坡到最大角30°的過程中,機油總量保持不變,即始終保持汽車在水平行駛時,油面高度處于油尺下限位置時的機油加入量(距油底殼上面的高度為66.2mm,如圖1所示)。從而確定在爬坡過程中油面的高度及油底殼中浸在油中零件的體積變化情況。設油面變化的高度為HIGH,油面為OIL_SURFACE(如圖2所示)。讓變量HIGH與OIL_SURFACE相關連。即HIGH的變化,能直接反映出OIL_SURFACE變化,同時也能間接地反映出OIL_SURFACE面下側的體積(零件、油的體積)變化情況,從而確定三者之間的關系:即油體積=總體積-零件體積。

圖1

圖2

2 建立分析模型

首先進行產品開發設計,設計者根據每個產品的結構或骨架線創建三維模型,然后按照所屬關系進行裝配、組合形成所要求的發動機。再在此基礎上進行分析和計算。對于獨立懸架式發動機我們是借用技術中心應用工程部設計的整機模型建立分析模型的。建立分析模型的意義是刪除與分析無關的發動機零、部件,并簡化相關零件的結構。例如機體,汽車在爬坡時油面只升到機體后端的一個角,所以我們沒有必要考慮機體內腔的形狀,只要按油底殼內腔形狀延伸一定的高度即可。因此分析模型的簡化與建立非常重要,它將直接影響分析結果的準確性。

3 確定計算方案和步驟

無論是計算油的體積,還是計算浸入油中零件的體積,都需要使用下拉式功能菜單“分析→模型分析”來求出某基準面一側的體積,即單側體積。但該功能在裝配模式下無法實現。那么,要動態地計算出汽車在爬坡的過程中浸在油中零件的體積變化以及與之密切相關的油面高度變化情況,就必須將裝配分析模型轉變成所需的零件分析模型,這是解決計算問題的關鍵步驟,轉變方法有兩種。

方法一:新建一個零件,然后在該零件模式下“創建→數據共享→外部復制幾何→打開→選取所要轉變的裝配模型→缺省位置→選擇曲面參照元素→定義該元素→實體曲面→完成→確認”即可得到所要求的多個零件曲面組,然后再利用此曲面組創建具有裝配形式而無裝配關系的零件,利用該零件即可進行計算。此種方法操作簡單、快捷。建議用該方法。

方法二:打開一個裝配模型,然后在裝配模式下選取“元件→高級工具→合并→選擇一個零件(該零件將成為其他零件的載體)→拾取另一個零件”,則兩個零件合成為一個零件,以此類推將所有零件合并在一起,該方法只局限在同一級的裝配中。此種方法操作簡單,但效率較低。

3.1 計算油底殼中最低油量

該油量為我們假設的不變油量,即汽車在水平路面上行駛時,油面的高度處于油尺刻度的下限時(距油底殼上面的高度為66.2mm),油底殼中機油的體積。因為此時油底殼中的油量是機油泵提供給發動機機油量的下限值。如果在這種情況下計算出發動機爬坡30°角時機油泵仍能正常供油,那么就完全可以得出這樣的結論:獨立懸架客車車用發動機在爬坡30°角時可以正常工作。因為發動機在通常情況下規定:油面只要低于油尺刻度的上、下限平均值時(即距油底殼上面的高度為58.5mm),就必須人為地給發動機加油,以保證汽車正常行駛。

利用下拉式功能菜單分析→模型分析打開模型分析對話框,選取分析類型為單側體積并確定基準面為dtm12即可計算出以下各體積值。

油面的高度處于油尺刻度的下限時,油底殼的體積:V1=7.73856×106mm3

浸入油中零件的體積:V2=2.4704×105mm3

發動機正常工作時所需的最低油量:V= V1- V2=7.49152×106mm3

3.2 建立三個分析特征

創建合理、正確的分析特征可以簡化分析過程,但分析特征的創建主要取決于零件特征創建的順序,因此在確定總體分析方案后,一定要根據此方案來確定零件特征的創建順序,否則分析無法進行。

3.2.1 建立第一個分析特征——零件的體積特征

計算零件浸在油中的體積是非常復雜的,因為汽車在爬坡時一方面油面在不停的變化,另一方面曲軸、連桿也在旋轉運動。所以我們分兩種情況進行計算,第一種是連桿的運動位置處于最下端(如圖2所示);第二種是連桿的運動位置處于最上端(如圖3所示)。

圖3

單擊“分析特征”按鈕,出現ANALYSIS對話框,在名稱字段中輸入:lingj_volume作為第一個分析特征名稱,在分析類型中選取模型分析,單擊下一步,進入模型分析對話框,于上方選擇一側體積塊作為模型分析類型,選擇OIL_SURFACE,同時選擇箭頭,使其方向朝下指向油底殼底面,系統即可算出OIL_SURFACE下方零件的體積(假設油面距油底殼上沿的高度為90mm)約為 :V下=1.838189e+06 mm3,V上=1.553333e+06 mm3。單擊“確認”按鈕完成分析特征的建立。

3.2.2 建立第二個分析特征——總體積即油底殼中油的體積與零件的體積之和

單擊“分析特征”按鈕,出現ANALYSIS對話框,在名稱字段中輸入:all_volume作為第二個分析特征名稱,在分析類型中選取模型分析,單擊下一步,進入模型分析對話框,于上方選擇一側體積塊作為模型分析類型,選擇OIL_SURFACE,同時選擇箭頭,使其方向朝下指向油底殼底面,系統即可算出OIL_SURFACE下方油與零件的總體積(假設油面距油底殼上沿的高度為90mm)約為:
V下= V上=9.620040e+06 mm3。

3.2.3 建立第三個分析特征—關系特征

即油體積等于油底殼中油面下的總體積與零件的體積之差。單擊“分析特征”按鈕,出現ANALYSIS對話框,在名稱字段中輸入:you_volume作為第三個分析特征名稱,在分析類型中選取關系,單擊下一步,進入文字編輯畫面(記事本),輸入如下的關系式,完成存盤后退出。
you_volume=one_side_vol:FID_ALL_VOLUME-one_side_vol:FID_LINGJ_VOLUME,單擊“確認”按鈕完成分析特征的建立。

3.3 進行靈敏度分析

以連桿的運動位置處于最下端為例進行靈敏度分析,單擊“下拉式功能菜單分析→靈敏度分析”,彈出靈敏度分析對話框,單擊基準面OIL_SURFACE,選取尺寸high,輸入最小值:80、最大值:90(此為X軸的范圍)。從繪圖參數中選取you_volume為Y軸的對應值,單擊“計算”,結果如圖4所示。

圖4

圖4當高度從80mm變成90mm時,油體積由6.93739e+06 mm3變到7.78185e+06 mm3,當高度值處在87mm左右時,油體積約為發動機正常工作時所需的最低量7.49152×106mm3。這說明變量HIGH值的變化對油的體積影響很大。以同樣的方法計算連桿的運動位置處于最上端時,高度值在83mm左右時,發動機在最低油量下能正常工作。

3.4 進行可行性分析

以連桿的運動位置處于最下端為例進行可行性分析,單擊下拉式功能菜單“分析→可行性/最優化分析”,彈出“可行性/最優化分析”對話框,在“研究類型/名稱”中選取“可行性”,然后輸入可行性名稱,增加一設計約束,設置一個等式如下:you_volume:you_volume=7.49152e+06 mm3。

再增加一個設計變量,單擊尺寸high, 輸入最小值:80mm、最大值:90mm,最后單擊“確認”按鈕,執行計算,求出high值為86.67mm時,發動機正常工作所需的最低油量是7.49152 ×106mm3。此時模型已經更新。如圖5所示。以同樣的方法進行計算,當連桿的運動位置處于最上端時,high值為83.56mm時,發動機在最低油量下能正常工作。

根據圖示可以直觀看出吸油盤底沿已完全浸入最低油面以下,因此完全可以得出這樣的結論:獨立懸架客車車用發動機在爬坡30°角時機油泵仍能正常供油。

3.5 確定吸油盤浸入油面的深度

通過吸油盤中心線且與油底殼底面垂直做一基準平面,在此基準面上草繪一條曲線,曲線的一端在油面上,另一端在吸油盤底沿處,該曲線的長度即為吸油盤底沿距油面最淺處,經測量得出,吸油盤距油面最小距離為5.28mm(如圖6所示)。

通過我們在proeNGINEER中進行的詳細分析,不僅為獨立懸架式發動機研制成功提供了可靠的理論依據,同時也在proeNGINEER分析方面做了初步探索。從中可以推斷出正確的結論——獨立懸架客車車用發動機在爬坡30°角,油底殼中的加油量取下限值時,油面的高度大于吸油盤高度,從而判斷發動機在工作極限時,機油能夠滿足供應,發動機可以正常工作。

獨立懸架式發動機同樣具有4102型柴油機體積小、重量輕、結構緊湊、動力強勁、高效節能的特點,是獨立懸架豪華客車和四輪越野車的理想配套動力。該發動機投放市場后,有廣闊的市場前景,該結構同樣能裝在CY4102BQ、CY4105Q、CY4102BZQ、CY4102BZLQ柴油機上,它的研制成功,必將為我公司和社會帶來巨大的社會經濟效益。

圖5

圖6

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