應(yīng)用proe分析獨立懸架客車機(jī)油泵供油案例

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

【摘要】該論文詳細(xì)地論述了應(yīng)用proeNGINEER分析獨立懸架客車車用發(fā)動機(jī)在爬坡30°角時機(jī)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(chǎn)發(fā)動機(jī),在原4102BZQ發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后,能否在爬坡30°時正常工作。首先,我們對發(fā)動機(jī)在工作時油的變化情況進(jìn)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(guān)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(guān)零件的結(jié)構(gòu),為分析和計算打基礎(chǔ)。最后,我們進(jìn)行分析和計算,創(chuàng)建了三個分析特征,進(jìn)行靈敏度分析和可行性分析,計算出獨立懸架客車車用發(fā)動機(jī)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(zhǔn)確值為5.28mm,從而判斷發(fā)動機(jī)在工作極限時,機(jī)油能夠滿足供應(yīng),發(fā)動機(jī)可以正常工作。通過我們在proeNGINEER中進(jìn)行的詳細(xì)分析,不僅為獨立懸架式發(fā)動機(jī)研制成功提供了可靠的理論依據(jù),同時也在proeNGINEER分析方面做了初步探索。

【關(guān)鍵詞】proeNGINEER 懸架客車爬坡供油

獨立懸架客車是江淮廠生產(chǎn)的一種豪華客車,它具有行駛時減震性好,非簧載質(zhì)量小,汽車行駛平均速度高,發(fā)動機(jī)總成位置可以降低和前移,從而降低重心等優(yōu)點。原來該車配日產(chǎn)柴發(fā)動機(jī),但現(xiàn)在想降低汽車價位,欲配裝國產(chǎn)發(fā)動機(jī),廠家經(jīng)選型后,決定選用我公司4102BZ系列發(fā)動機(jī)。我公司和技術(shù)中心領(lǐng)導(dǎo)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(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),成為獨立懸架式發(fā)動機(jī)。

4102BZQ發(fā)動機(jī),采用增壓技術(shù),提高柴油機(jī)的升功率和經(jīng)濟(jì)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(yōu)點,是21世紀(jì)最新產(chǎn)品。但我公司4102BZQ發(fā)動機(jī)油底殼大頭朝后,與獨立懸架汽車的轉(zhuǎn)向拉桿干涉。因此必須對現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,才能滿足獨立懸架客車配車的需求。經(jīng)過分析確定了改進(jìn)方案:

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

(2) 機(jī)油泵的驅(qū)動方式保持不變,這樣可以較好地保證機(jī)油泵進(jìn)油、回油。

(3) 確定汽車爬坡30°角時,機(jī)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(fā)動機(jī)能否正常的工作。

對于此改進(jìn)方案,要解決的最關(guān)鍵的問題是分析機(jī)油液面處于油尺下限,汽車爬坡30°角時,機(jī)油泵能否提供足夠的機(jī)油。這個問題必須得到準(zhǔn)確的驗證,它將直接影響發(fā)動機(jī)工作的性能,一旦出現(xiàn)機(jī)油泵供油短缺,那么發(fā)動機(jī)將會出現(xiàn)抱瓦現(xiàn)象,致使整機(jī)報廢,后果非常嚴(yán)重。基于此種情況,目前技術(shù)中心實驗室還沒有先進(jìn)的儀器來檢測汽車在行駛時油底殼中機(jī)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(fā)動機(jī)在爬坡30°角時機(jī)油泵供油情況。

1 方案分析

首先假設(shè)汽車在爬坡到最大角30°的過程中,機(jī)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(jī)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(shè)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(guān)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(cè)的體積(零件、油的體積)變化情況,從而確定三者之間的關(guān)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(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計,設(shè)計者根據(jù)每個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)或骨架線創(chuàng)建三維模型,然后按照所屬關(guān)系進(jìn)行裝配、組合形成所要求的發(fā)動機(jī)。再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和計算。對于獨立懸架式發(fā)動機(jī)我們是借用技術(shù)中心應(yīng)用工程部設(shè)計的整機(jī)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(guān)的發(fā)動機(jī)零、部件,并簡化相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)。例如機(jī)體,汽車在爬坡時油面只升到機(jī)體后端的一個角,所以我們沒有必要考慮機(jī)體內(nèi)腔的形狀,只要按油底殼內(nèi)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(jié)果的準(zhǔn)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(zhǔn)面一側(cè)的體積,即單側(cè)體積。但該功能在裝配模式下無法實現(xiàn)。那么,要動態(tài)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(guān)的油面高度變化情況,就必須將裝配分析模型轉(zhuǎn)變成所需的零件分析模型,這是解決計算問題的關(guān)鍵步驟,轉(zhuǎn)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(chuàng)建→數(shù)據(jù)共享→外部復(fù)制幾何→打開→選取所要轉(zhuǎn)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(rèn)”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(chuàng)建具有裝配形式而無裝配關(guān)系的零件,利用該零件即可進(jìn)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(shè)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(jī)油的體積。因為此時油底殼中的油量是機(jī)油泵提供給發(fā)動機(jī)機(jī)油量的下限值。如果在這種情況下計算出發(fā)動機(jī)爬坡30°角時機(jī)油泵仍能正常供油,那么就完全可以得出這樣的結(jié)論:獨立懸架客車車用發(fā)動機(jī)在爬坡30°角時可以正常工作。因為發(fā)動機(jī)在通常情況下規(guī)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(fā)動機(jī)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(cè)體積并確定基準(zhǔn)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(fā)動機(jī)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(chuàng)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(chuàng)建主要取決于零件特征創(chuàng)建的順序,因此在確定總體分析方案后,一定要根據(jù)此方案來確定零件特征的創(chuàng)建順序,否則分析無法進(jìn)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(fù)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(zhuǎn)運動。所以我們分兩種情況進(jìn)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(xiàn)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(jìn)入模型分析對話框,于上方選擇一側(cè)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(tǒng)即可算出OIL_SURFACE下方零件的體積(假設(shè)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(rèn)”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(xiàn)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(jìn)入模型分析對話框,于上方選擇一側(cè)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(tǒng)即可算出OIL_SURFACE下方油與零件的總體積(假設(shè)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(guān)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(xiàn)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(guān)系,單擊下一步,進(jìn)入文字編輯畫面(記事本),輸入如下的關(guān)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(rèn)”按鈕完成分析特征的建立。

3.3 進(jìn)行靈敏度分析

以連桿的運動位置處于最下端為例進(jìn)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(zhǔn)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(shù)中選取you_volume為Y軸的對應(yīng)值,單擊“計算”,結(jié)果如圖4所示。

圖4

圖4當(dāng)高度從80mm變成90mm時,油體積由6.93739e+06 mm3變到7.78185e+06 mm3,當(dāng)高度值處在87mm左右時,油體積約為發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)在最低油量下能正常工作。

3.4 進(jìn)行可行性分析

以連桿的運動位置處于最下端為例進(jìn)行可行性分析,單擊下拉式功能菜單“分析→可行性/最優(yōu)化分析”,彈出“可行性/最優(yōu)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(shè)計約束,設(shè)置一個等式如下:you_volume:you_volume=7.49152e+06 mm3。

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

根據(jù)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(jié)論:獨立懸架客車車用發(fā)動機(jī)在爬坡30°角時機(jī)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(zhǔn)平面,在此基準(zhǔn)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(jīng)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(jìn)行的詳細(xì)分析,不僅為獨立懸架式發(fā)動機(jī)研制成功提供了可靠的理論依據(jù),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(jié)論——獨立懸架客車車用發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)在工作極限時,機(jī)油能夠滿足供應(yīng),發(fā)動機(jī)可以正常工作。

獨立懸架式發(fā)動機(jī)同樣具有4102型柴油機(jī)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動力強(qiáng)勁、高效節(jié)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(fā)動機(jī)投放市場后,有廣闊的市場前景,該結(jié)構(gòu)同樣能裝在CY4102BQ、CY4105Q、CY4102BZQ、CY4102BZLQ柴油機(jī)上,它的研制成功,必將為我公司和社會帶來巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

圖5

圖6

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