應(yīng)用proe分析獨(dú)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(lái)源:仿真在線

【摘要】該論文詳細(xì)地論述了應(yīng)用proeNGINEER分析獨(dú)立懸架客車車用發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡30°角時(shí)機(jī)油泵供油情況。目的是解決我公司給江淮廠獨(dú)立懸架豪華客車配的國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),在原4102BZQ發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后,能否在爬坡30°時(shí)正常工作。首先,我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)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(jiǎn)化相關(guān)零件的結(jié)構(gòu),為分析和計(jì)算打基礎(chǔ)。最后,我們進(jìn)行分析和計(jì)算,創(chuàng)建了三個(gè)分析特征,進(jìn)行靈敏度分析和可行性分析,計(jì)算出獨(dú)立懸架客車車用發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡30°角,油底殼中的加油量取下限值時(shí),油面的高度大于吸油盤(pán)高度,準(zhǔn)確值為5.28mm,從而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)在工作極限時(shí),機(jī)油能夠滿足供應(yīng),發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常工作。通過(guò)我們?cè)趐roeNGINEER中進(jìn)行的詳細(xì)分析,不僅為獨(dú)立懸架式發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功提供了可靠的理論依據(jù),同時(shí)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(dú)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(shí)減震性好,非簧載質(zhì)量小,汽車行駛平均速度高,發(fā)動(dòng)機(jī)總成位置可以降低和前移,從而降低重心等優(yōu)點(diǎn)。原來(lái)該車配日產(chǎn)柴發(fā)動(dòng)機(jī),但現(xiàn)在想降低汽車價(jià)位,欲配裝國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī),廠家經(jīng)選型后,決定選用我公司4102BZ系列發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),成為獨(dú)立懸架式發(fā)動(dòng)機(jī)。

4102BZQ發(fā)動(dòng)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(dòng)等優(yōu)點(diǎn),是21世紀(jì)最新產(chǎn)品。但我公司4102BZQ發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼大頭朝后,與獨(dú)立懸架汽車的轉(zhuǎn)向拉桿干涉。因此必須對(duì)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,才能滿足獨(dú)立懸架客車配車的需求。經(jīng)過(guò)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(dòng)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(shí),機(jī)油泵底部的集濾器吸油盤(pán)底沿能否浸在油面以下,從而分析發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常的工作。

對(duì)于此改進(jìn)方案,要解決的最關(guān)鍵的問(wèn)題是分析機(jī)油液面處于油尺下限,汽車爬坡30°角時(shí),機(jī)油泵能否提供足夠的機(jī)油。這個(gè)問(wèn)題必須得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證,它將直接影響發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)將會(huì)出現(xiàn)抱瓦現(xiàn)象,致使整機(jī)報(bào)廢,后果非常嚴(yán)重。基于此種情況,目前技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室還沒(méi)有先進(jìn)的儀器來(lái)檢測(cè)汽車在行駛時(shí)油底殼中機(jī)油液面變化情況。因此我們必須用proeNGINEER分析獨(dú)立懸架客車車用發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡30°角時(shí)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(guò)程中,機(jī)油總量保持不變,即始終保持汽車在水平行駛時(shí),油面高度處于油尺下限位置時(shí)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(guò)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(shí)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)者根據(jù)每個(gè)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(dòng)機(jī)。再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和計(jì)算。對(duì)于獨(dú)立懸架式發(fā)動(dòng)機(jī)我們是借用技術(shù)中心應(yīng)用工程部設(shè)計(jì)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(wú)關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)零、部件,并簡(jiǎn)化相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)。例如機(jī)體,汽車在爬坡時(shí)油面只升到機(jī)體后端的一個(gè)角,所以我們沒(méi)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(jiǎn)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(jì)算方案和步驟

無(wú)論是計(jì)算油的體積,還是計(jì)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(lái)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(wú)法實(shí)現(xiàn)。那么,要?jiǎng)討B(tài)地計(jì)算出汽車在爬坡的過(guò)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(jì)算問(wèn)題的關(guān)鍵步驟,轉(zhuǎn)變方法有兩種。

方法一:新建一個(gè)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(kāi)→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(shí)體曲面→完成→確認(rèn)”即可得到所要求的多個(gè)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(wú)裝配關(guān)系的零件,利用該零件即可進(jìn)行計(jì)算。此種方法操作簡(jiǎn)單、快捷。建議用該方法。

方法二:打開(kāi)一個(gè)裝配模型,然后在裝配模式下選取“元件→高級(jí)工具→合并→選擇一個(gè)零件(該零件將成為其他零件的載體)→拾取另一個(gè)零件”,則兩個(gè)零件合成為一個(gè)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(jí)的裝配中。此種方法操作簡(jiǎn)單,但效率較低。

3.1 計(jì)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(shí),油面的高度處于油尺刻度的下限時(shí)(距油底殼上面的高度為66.2mm),油底殼中機(jī)油的體積。因?yàn)榇藭r(shí)油底殼中的油量是機(jī)油泵提供給發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油量的下限值。如果在這種情況下計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)爬坡30°角時(shí)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(dú)立懸架客車車用發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡30°角時(shí)可以正常工作。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)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(shí)(即距油底殼上面的高度為58.5mm),就必須人為地給發(fā)動(dòng)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(kāi)模型分析對(duì)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(jì)算出以下各體積值。

油面的高度處于油尺刻度的下限時(shí),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(dòng)機(jī)正常工作時(shí)所需的最低油量:V= V1- V2=7.49152×106mm3

3.2 建立三個(gè)分析特征

創(chuàng)建合理、正確的分析特征可以簡(jiǎn)化分析過(guò)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(lái)確定零件特征的創(chuàng)建順序,否則分析無(wú)法進(jìn)行。

3.2.1 建立第一個(gè)分析特征——零件的體積特征

計(jì)算零件浸在油中的體積是非常復(fù)雜的,因?yàn)槠囋谂榔聲r(shí)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(yùn)動(dòng)。所以我們分兩種情況進(jìn)行計(jì)算,第一種是連桿的運(yùn)動(dòng)位置處于最下端(如圖2所示);第二種是連桿的運(yùn)動(dòng)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(duì)話框,在名稱字段中輸入:lingj_volume作為第一個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)話框,在名稱字段中輸入:all_volume作為第二個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)話框,在名稱字段中輸入:you_volume作為第三個(gè)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(huà)面(記事本),輸入如下的關(guān)系式,完成存盤(pán)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)應(yīng)值,單擊“計(jì)算”,結(jié)果如圖4所示。

圖4

圖4當(dāng)高度從80mm變成90mm時(shí),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(shí),油體積約為發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)所需的最低量7.49152×106mm3。這說(shuō)明變量HIGH值的變化對(duì)油的體積影響很大。以同樣的方法計(jì)算連桿的運(yùn)動(dòng)位置處于最上端時(shí),高度值在83mm左右時(shí),發(fā)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(jì)約束,設(shè)置一個(gè)等式如下:you_volume:you_volume=7.49152e+06 mm3。

再增加一個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)算,求出high值為86.67mm時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所需的最低油量是7.49152 ×106mm3。此時(shí)模型已經(jīng)更新。如圖5所示。以同樣的方法進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)連桿的運(yùn)動(dòng)位置處于最上端時(shí),high值為83.56mm時(shí),發(fā)動(dòng)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(pán)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(dú)立懸架客車車用發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡30°角時(shí)機(jī)油泵仍能正常供油。

3.5 確定吸油盤(pán)浸入油面的深度

通過(guò)吸油盤(pán)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(pán)底沿處,該曲線的長(zhǎng)度即為吸油盤(pán)底沿距油面最淺處,經(jīng)測(cè)量得出,吸油盤(pán)距油面最小距離為5.28mm(如圖6所示)。

通過(guò)我們?cè)趐roeNGINEER中進(jìn)行的詳細(xì)分析,不僅為獨(dú)立懸架式發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功提供了可靠的理論依據(jù),同時(shí)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(dú)立懸架客車車用發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡30°角,油底殼中的加油量取下限值時(shí),油面的高度大于吸油盤(pán)高度,從而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)在工作極限時(shí),機(jī)油能夠滿足供應(yīng),發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常工作。

獨(dú)立懸架式發(fā)動(dòng)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(dòng)力強(qiáng)勁、高效節(jié)能的特點(diǎn),是獨(dú)立懸架豪華客車和四輪越野車的理想配套動(dòng)力。該發(fā)動(dòng)機(jī)投放市場(chǎng)后,有廣闊的市場(chǎng)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(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖5

圖6

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