应用proe分析独立悬架客车机油泵供油案例

2013-05-07  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

【摘    要】该论文详细地论述了应用proeNGINEER分析独立悬架客车车用发动机在爬坡30°角时机油泵供油情况。目的是解决我公司给江淮厂独立悬架豪华客车配的国产发动机,在原4102BZQ发动机基础上进行改进后,能否在爬坡30°时正常工作。首先,我们对发动机在工作时油的变化情况进行分析,确定变量是油面高度HIGH、油面OIL_SURFACE及浸在油中零件的体积;不变量是油的体积。从中找出它们之间的关系:“油体积=总体积-零件体积”。其次,我们建立了分析模型,简化相关零件的结构,为分析和计算打基础。最后,我们进行分析和计算,创建了三个分析特征,进行灵敏度分析和可行性分析,计算出独立悬架客车车用发动机在爬坡30°角,油底壳中的加油量取下限值时,油面的高度大于吸油盘高度,准确值为5.28mm,从而判断发动机在工作极限时,机油能够满足供应,发动机可以正常工作。通过我们在proeNGINEER中进行的详细分析,不仅为独立悬架式发动机研制成功提供了可靠的理论依据,同时也在proeNGINEER分析方面做了初步探索。

【关键词】proeNGINEER    悬架客车    爬坡    供油


    独立悬架客车是江淮厂生产的一种豪华客车,它具有行驶时减震性好,非簧载质量小,汽车行驶平均速度高,发动机总成位置可以降低和前移,从而降低重心等优点。原来该车配日产柴发动机,但现在想降低汽车价位,欲配装国产发动机,厂家经选型后,决定选用我公司4102BZ系列发动机。我公司和技术中心领导非常重视该事情,即派人到江淮厂了解汽车厂具体要求,决定在4102BZQ发动机基础上进行改进,成为独立悬架式发动机。

    4102BZQ发动机,采用增压技术,提高柴油机的升功率和经济性,具有体积小、重量轻、功率大、油耗低、低排放、低噪声、易起动等优点,是21世纪最新产品。但我公司4102BZQ发动机油底壳大头朝后,与独立悬架汽车的转向拉杆干涉。因此必须对现有的发动机结构进行改造,才能满足独立悬架客车配车的需求。经过分析确定了改进方案:

    (1) 油底壳大头转到前端,并将油底壳后端高度减小,让出转向拉杆的位置,避免油底壳与转向拉杆干涉。

    (2) 机油泵的驱动方式保持不变,这样可以较好地保证机油泵进油、回油。

    (3) 确定汽车爬坡30°角时,机油泵底部的集滤器吸油盘底沿能否浸在油面以下,从而分析发动机能否正常的工作。

    对于此改进方案,要解决的最关键的问题是分析机油液面处于油尺下限,汽车爬坡30°角时,机油泵能否提供足够的机油。这个问题必须得到准确的验证,它将直接影响发动机工作的性能,一旦出现机油泵供油短缺,那么发动机将会出现抱瓦现象,致使整机报废,后果非常严重。基于此种情况,目前技术中心实验室还没有先进的仪器来检测汽车在行驶时油底壳中机油液面变化情况。因此我们必须用proeNGINEER分析独立悬架客车车用发动机在爬坡30°角时机油泵供油情况。

1 方案分析

    首先假设汽车在爬坡到最大角30°的过程中,机油总量保持不变,即始终保持汽车在水平行驶时,油面高度处于油尺下限位置时的机油加入量(距油底壳上面的高度为66.2mm,如图1所示)。从而确定在爬坡过程中油面的高度及油底壳中浸在油中零件的体积变化情况。设油面变化的高度为HIGH,油面为OIL_SURFACE(如图2所示)。让变量HIGH与OIL_SURFACE相关连。即HIGH的变化,能直接反映出OIL_SURFACE变化,同时也能间接地反映出OIL_SURFACE面下侧的体积(零件、油的体积)变化情况,从而确定三者之间的关系:即油体积=总体积-零件体积。

图1

图2

2 建立分析模型

    首先进行产品开发设计,设计者根据每个产品的结构或骨架线创建三维模型,然后按照所属关系进行装配、组合形成所要求的发动机。再在此基础上进行分析和计算。对于独立悬架式发动机我们是借用技术中心应用工程部设计的整机模型建立分析模型的。建立分析模型的意义是删除与分析无关的发动机零、部件,并简化相关零件的结构。例如机体,汽车在爬坡时油面只升到机体后端的一个角,所以我们没有必要考虑机体内腔的形状,只要按油底壳内腔形状延伸一定的高度即可。因此分析模型的简化与建立非常重要,它将直接影响分析结果的准确性。

3 确定计算方案和步骤

    无论是计算油的体积,还是计算浸入油中零件的体积,都需要使用下拉式功能菜单“分析→模型分析”来求出某基准面一侧的体积,即单侧体积。但该功能在装配模式下无法实现。那么,要动态地计算出汽车在爬坡的过程中浸在油中零件的体积变化以及与之密切相关的油面高度变化情况,就必须将装配分析模型转变成所需的零件分析模型,这是解决计算问题的关键步骤,转变方法有两种。

    方法一:新建一个零件,然后在该零件模式下“创建→数据共享→外部复制几何→打开→选取所要转变的装配模型→缺省位置→选择曲面参照元素→定义该元素→实体曲面→完成→确认”即可得到所要求的多个零件曲面组,然后再利用此曲面组创建具有装配形式而无装配关系的零件,利用该零件即可进行计算。此种方法操作简单、快捷。建议用该方法。

    方法二:打开一个装配模型,然后在装配模式下选取“元件→高级工具→合并→选择一个零件(该零件将成为其他零件的载体)→拾取另一个零件”,则两个零件合成为一个零件,以此类推将所有零件合并在一起,该方法只局限在同一级的装配中。此种方法操作简单,但效率较低。

3.1  计算油底壳中最低油量

    该油量为我们假设的不变油量,即汽车在水平路面上行驶时,油面的高度处于油尺刻度的下限时(距油底壳上面的高度为66.2mm),油底壳中机油的体积。因为此时油底壳中的油量是机油泵提供给发动机机油量的下限值。如果在这种情况下计算出发动机爬坡30°角时机油泵仍能正常供油,那么就完全可以得出这样的结论:独立悬架客车车用发动机在爬坡30°角时可以正常工作。因为发动机在通常情况下规定:油面只要低于油尺刻度的上、下限平均值时(即距油底壳上面的高度为58.5mm),就必须人为地给发动机加油,以保证汽车正常行驶。

    利用下拉式功能菜单分析→模型分析打开模型分析对话框,选取分析类型为单侧体积并确定基准面为dtm12即可计算出以下各体积值。

    油面的高度处于油尺刻度的下限时,油底壳的体积:V1=7.73856×106mm3

    浸入油中零件的体积:V2=2.4704×105mm3

    发动机正常工作时所需的最低油量:V= V1- V2=7.49152×106mm3

3.2  建立三个分析特征

    创建合理、正确的分析特征可以简化分析过程,但分析特征的创建主要取决于零件特征创建的顺序,因此在确定总体分析方案后,一定要根据此方案来确定零件特征的创建顺序,否则分析无法进行。

3.2.1  建立第一个分析特征——零件的体积特征

    计算零件浸在油中的体积是非常复杂的,因为汽车在爬坡时一方面油面在不停的变化,另一方面曲轴、连杆也在旋转运动。所以我们分两种情况进行计算,第一种是连杆的运动位置处于最下端(如图2所示);第二种是连杆的运动位置处于最上端(如图3所示)。

图3

    单击“分析特征”按钮,出现ANALYSIS对话框,在名称字段中输入:lingj_volume作为第一个分析特征名称,在分析类型中选取模型分析,单击下一步,进入模型分析对话框,于上方选择一侧体积块作为模型分析类型,选择OIL_SURFACE,同时选择箭头,使其方向朝下指向油底壳底面,系统即可算出OIL_SURFACE下方零件的体积(假设油面距油底壳上沿的高度为90mm)约为 :V下=1.838189e+06 mm3,V上=1.553333e+06 mm3。单击“确认”按钮完成分析特征的建立。

3.2.2 建立第二个分析特征——总体积即油底壳中油的体积与零件的体积之和

    单击“分析特征”按钮,出现ANALYSIS对话框,在名称字段中输入:all_volume作为第二个分析特征名称,在分析类型中选取模型分析,单击下一步,进入模型分析对话框,于上方选择一侧体积块作为模型分析类型,选择OIL_SURFACE,同时选择箭头,使其方向朝下指向油底壳底面,系统即可算出OIL_SURFACE下方油与零件的总体积(假设油面距油底壳上沿的高度为90mm)约为:
V下= V上=9.620040e+06 mm3。

3.2.3 建立第三个分析特征—关系特征

   即油体积等于油底壳中油面下的总体积与零件的体积之差。单击“分析特征”按钮,出现ANALYSIS对话框,在名称字段中输入:you_volume作为第三个分析特征名称,在分析类型中选取关系,单击下一步,进入文字编辑画面(记事本),输入如下的关系式,完成存盘后退出。
you_volume=one_side_vol:FID_ALL_VOLUME-one_side_vol:FID_LINGJ_VOLUME,单击“确认”按钮完成分析特征的建立。

3.3 进行灵敏度分析

    以连杆的运动位置处于最下端为例进行灵敏度分析,单击“下拉式功能菜单分析→灵敏度分析”,弹出灵敏度分析对话框,单击基准面OIL_SURFACE,选取尺寸high,输入最小值:80、最大值:90(此为X轴的范围)。从绘图参数中选取you_volume为Y轴的对应值,单击“计算”,结果如图4所示。

图4

    图4当高度从80mm变成90mm时,油体积由6.93739e+06 mm3变到7.78185e+06 mm3,当高度值处在87mm左右时,油体积约为发动机正常工作时所需的最低量7.49152×106mm3。这说明变量HIGH值的变化对油的体积影响很大。以同样的方法计算连杆的运动位置处于最上端时,高度值在83mm左右时,发动机在最低油量下能正常工作。

3.4 进行可行性分析

    以连杆的运动位置处于最下端为例进行可行性分析,单击下拉式功能菜单“分析→可行性/最优化分析”,弹出“可行性/最优化分析”对话框,在“研究类型/名称”中选取“可行性”,然后输入可行性名称,增加一设计约束,设置一个等式如下:you_volume:you_volume=7.49152e+06 mm3。

    再增加一个设计变量,单击尺寸high, 输入最小值:80mm、最大值:90mm,最后单击“确认”按钮,执行计算,求出high值为86.67mm时,发动机正常工作所需的最低油量是7.49152 ×106mm3。此时模型已经更新。如图5所示。以同样的方法进行计算,当连杆的运动位置处于最上端时,high值为83.56mm时,发动机在最低油量下能正常工作。

    根据图示可以直观看出吸油盘底沿已完全浸入最低油面以下,因此完全可以得出这样的结论:独立悬架客车车用发动机在爬坡30°角时机油泵仍能正常供油。

3.5 确定吸油盘浸入油面的深度

    通过吸油盘中心线且与油底壳底面垂直做一基准平面,在此基准面上草绘一条曲线,曲线的一端在油面上,另一端在吸油盘底沿处,该曲线的长度即为吸油盘底沿距油面最浅处,经测量得出,吸油盘距油面最小距离为5.28mm(如图6所示)。

    通过我们在proeNGINEER中进行的详细分析,不仅为独立悬架式发动机研制成功提供了可靠的理论依据,同时也在proeNGINEER分析方面做了初步探索。从中可以推断出正确的结论——独立悬架客车车用发动机在爬坡30°角,油底壳中的加油量取下限值时,油面的高度大于吸油盘高度,从而判断发动机在工作极限时,机油能够满足供应,发动机可以正常工作。

    独立悬架式发动机同样具有4102型柴油机体积小、重量轻、结构紧凑、动力强劲、高效节能的特点,是独立悬架豪华客车和四轮越野车的理想配套动力。该发动机投放市场后,有广阔的市场前景,该结构同样能装在CY4102BQ、CY4105Q、CY4102BZQ、CY4102BZLQ柴油机上,它的研制成功,必将为我公司和社会带来巨大的社会经济效益。

图5

图6


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