柳國(guó)立　劉正勇　崔曉娟　李文祥　武斌

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心）

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商用車(chē)柴油機(jī)油底殼開(kāi)裂問(wèn)題分析及解決

柳國(guó)立劉正勇崔曉娟李文祥武斌

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心）

【摘要】通過(guò)對(duì)失效件進(jìn)行材料性能、斷口、成型工藝、有限元仿真、整車(chē)試驗(yàn)等分析，得出該款柴油機(jī)油底殼開(kāi)裂問(wèn)題是由油底殼剛度不足導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振而造成的。通過(guò)改進(jìn)油底殼結(jié)構(gòu)并提高剛度，使其固有頻率達(dá)到許用值以上，避免在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生共振。油底殼固有頻率測(cè)量試驗(yàn)、整車(chē)道路試驗(yàn)及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架共振試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)方案可以有效解決該柴油機(jī)的油底殼開(kāi)裂問(wèn)題。

針對(duì)某款商用車(chē)柴油機(jī)油底殼出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，其失效模式主要分為兩種：油底殼右側(cè)中部及左側(cè)放油螺栓圓角處開(kāi)裂，平均故障里程為1.8×104～2.0×104km。該油底殼開(kāi)裂問(wèn)題在牽引車(chē)、載貨車(chē)及自卸車(chē)各車(chē)型上具有大致相同的故障率。該現(xiàn)象表明，該柴油機(jī)油底殼開(kāi)裂問(wèn)題與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及其搭載的車(chē)型無(wú)關(guān)，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)本身固有的問(wèn)題。為了查明油底殼開(kāi)裂原因，需要從油底殼材料、生產(chǎn)過(guò)程及其固有特性等方面進(jìn)行分析。

1　原因分析及改進(jìn)措施

1.1斷口及材料特性分析

對(duì)油底殼開(kāi)裂位置的斷口分析（圖1）表明，油底殼開(kāi)裂性質(zhì)為頻次較高的疲勞開(kāi)裂，屬于某種機(jī)械應(yīng)力性質(zhì)的疲勞開(kāi)裂，疲勞源均產(chǎn)生在油底殼內(nèi)部。斷口分析不能確認(rèn)機(jī)械應(yīng)力來(lái)源，重點(diǎn)考慮油底殼的開(kāi)裂是共振或機(jī)油重力作用的結(jié)果。

從油底殼材料分析結(jié)果可知，油底殼材料為St16（寶鋼提供），其元素含量（表1）、金相組織和硬度檢驗(yàn)結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，未見(jiàn)異常。

1.2成型工藝分析

該款柴油機(jī)油底殼深度290 mm，分兩次拉深，拉深過(guò)程中涂油貼膜。成品件檢驗(yàn)右側(cè)面中部最薄處約為1.76 mm，最大厚度減薄率10 %（實(shí)測(cè)原始板料厚度1.94 mm）；放油螺栓處在首次拉深后厚度最薄處為1.77 mm，二次拉深后厚度最薄處為1.68 mm，該處厚度減薄率為13.5 %，厚度減薄也滿(mǎn)足要求，油底殼生產(chǎn)工藝符合要求。1.3強(qiáng)度計(jì)算分析

圖1　斷口掃描結(jié)果

表1　油底殼材料元素含量　%

從圖2和圖3油底殼強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)果可以看出[1]，在正常的慣性力等疲勞載荷作用下，油底殼開(kāi)裂位置處的應(yīng)力值小于5 MPa，遠(yuǎn)低于材料本身的抗拉強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

圖2　缸體及油底殼右側(cè)面應(yīng)力分布

圖3　缸體及油底殼左側(cè)面應(yīng)力分布

1.4模態(tài)計(jì)算分析

該款柴油機(jī)缸體下部的梯形框架由鑄鐵結(jié)構(gòu)改為鋼板結(jié)構(gòu)。由于鋼板結(jié)構(gòu)梯形框架剛度小，可能對(duì)油底殼產(chǎn)生不利的影響，因此首先將兩種梯形框架對(duì)油底殼的影響進(jìn)行比較計(jì)算。

有限元計(jì)算結(jié)果表明，在相同爆發(fā)壓力作用下，采用鋼板結(jié)構(gòu)梯形框架比鑄鐵結(jié)構(gòu)缸體裙部位移增加25 %（圖4），這將導(dǎo)致缸體傳遞給油底殼的激勵(lì)力增大，增加油底殼開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4　缸體裙部位移計(jì)算結(jié)果

對(duì)采用鋼板結(jié)構(gòu)和鑄鐵結(jié)構(gòu)梯形框架兩種情況下的油底殼模態(tài)計(jì)算結(jié)果表明[2～4]，鑄鐵和鋼板梯形框架對(duì)油底殼的固有頻率沒(méi)有影響，兩種情況下的油底殼1階模態(tài)頻率都是108.63 Hz（表2）。由于油底殼1階模態(tài)頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 160 r/min的缸內(nèi)爆發(fā)壓力出現(xiàn)的頻率相對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致油底殼在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有共振問(wèn)題發(fā)生，其為該油底殼開(kāi)裂的原因。

表2　改進(jìn)前油底殼模態(tài)計(jì)算結(jié)果

由上述對(duì)開(kāi)裂油底殼材料性能、斷口、成型工藝及有限元計(jì)算分析結(jié)果可知，油底殼開(kāi)裂是由于本身剛度不足而導(dǎo)致其固有模態(tài)頻率低，且在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)與發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力的激勵(lì)頻率產(chǎn)生共振而致。

1.5改進(jìn)方案制定

油底殼改進(jìn)方案需要解決的主要問(wèn)題是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)抑制油底殼共振問(wèn)題的發(fā)生。為避免共振問(wèn)題發(fā)生，該款柴油機(jī)油底殼固有模態(tài)1階頻率必須大于120 Hz，以此作為油底殼結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

油底殼改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。該油底殼深度較大，左、右側(cè)各布置兩條較淺的加強(qiáng)筋，結(jié)構(gòu)剛度較弱，另外該油底殼放油螺栓的安裝面與側(cè)板的過(guò)度圓角很小，非常容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。改進(jìn)方案為在油底殼兩側(cè)面各布置3條較深的加強(qiáng)筋，并且把油底殼放油螺栓移到油底殼底部，消除油底殼局部應(yīng)力集中問(wèn)題，見(jiàn)圖6。

圖6　油底殼改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

有限元仿真結(jié)果（表3）表明，改進(jìn)后的油底殼側(cè)板1階模態(tài)頻率由改進(jìn)前的108.63 Hz提高到178.42 Hz，2階頻率由原來(lái)的117.87 Hz提高到195.21 Hz，均高于發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力最高激勵(lì)頻率（120 Hz），不會(huì)產(chǎn)生共振，能夠滿(mǎn)足抑制共振問(wèn)題發(fā)生的要求。

表3　改進(jìn)前、后油底殼模態(tài)計(jì)算結(jié)果

2　試驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1固有頻率測(cè)量評(píng)價(jià)

對(duì)改進(jìn)前、后的油底殼進(jìn)行固有頻率測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)車(chē)激勵(lì)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)前油底殼側(cè)板1階固有頻率為71.88 Hz，見(jiàn)圖7。改進(jìn)后油底殼的剛度提高明顯，其固有頻率達(dá)到159.2 Hz，見(jiàn)圖8。說(shuō)明油底殼改進(jìn)后能夠有效避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的激勵(lì)頻率，避免共振。

圖7　改進(jìn)前油底殼頻響函數(shù)

圖8　改進(jìn)后油底殼頻響函數(shù)

2.2整車(chē)道路試驗(yàn)評(píng)價(jià)

對(duì)改進(jìn)前、后的油底殼進(jìn)行整車(chē)道路試驗(yàn)，結(jié)果如圖9和圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)前油底殼時(shí)，整車(chē)在各擋位緩慢加速和勻速行駛，油底殼測(cè)量點(diǎn)在76.5～81.0 Hz區(qū)間功率譜密度出現(xiàn)峰值，該頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)1 530～1 620 r/min的缸內(nèi)爆發(fā)壓力激勵(lì)頻率，表明在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在缸內(nèi)爆發(fā)壓力作用下，油底殼測(cè)量點(diǎn)發(fā)生了共振；采用改進(jìn)后的油底殼進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，沒(méi)有高級(jí)別功率譜密度峰值出現(xiàn)，油底殼測(cè)量點(diǎn)處沒(méi)有共振問(wèn)題發(fā)生。

（a）改進(jìn)前油底殼

圖10　8擋勻速1 600 r/min各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變功率譜密度

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)

對(duì)改進(jìn)前、后的油底殼進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)前油底殼的整體振動(dòng)偏大，且集中在1 148 r/min、118 Hz下，振動(dòng)數(shù)值最高達(dá)到213.6 mm/s，共振明顯；改進(jìn)后油底殼的個(gè)別測(cè)點(diǎn)的部分方向振動(dòng)數(shù)值達(dá)到80 mm/s的限值，其余測(cè)點(diǎn)大部分在60 mm/s以下，沒(méi)有共振發(fā)生。改進(jìn)后的油底殼進(jìn)行147 h共振耐久試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題，通過(guò)共振試驗(yàn)考核。因此，改進(jìn)后的油底殼能夠有效抑制共振問(wèn)題的發(fā)生，其開(kāi)裂問(wèn)題得到徹底解決。

圖11　改進(jìn)前、后發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架油底殼共振試驗(yàn)結(jié)果

參考文獻(xiàn)

1王勛成.有限元法基本原理和數(shù)值方法（第2版）.北京：清華大學(xué)出版社，1995.

2李平.YN4102油底殼的自振特性研究.車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2002（4）：16～18.

3Yuan Zhaocheng,Zhang Liang.Modal analysis and structure analysis for oilpan of 4118Z diesel engine.Automotive Engi?neering,2001,23:156～159.

4Lu Xiaojun,Liang Jie.Vibration modal analysis of 492Q en?gine’s oil pan.China Journal of Highway and Transprot, 2001,14:115～118.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年7月14日。

Analysis of Oil Pan Cracking of Commercial Vehicle Diesel Engine and Solution

Liu Guoli, Liu Zhengyong, Cui Xiaojuan, Li Wenxiang, Wu Bin
（China FAW Co., Ltd. R&D Center）

【Abstract】Through analysis on materials properties, fracture and molding technique, FEA simulation of the failure parts and vehicle tests, it is concluded that oil pan cracking is caused by insufficient stiffness of oil pan, leading to resonance in engine working speed. By improving oil pan structure and its stiffness, and improve its inherent frequency above the allowable value, avoiding resonance in engine working speed. The results of oil pan inherent frequency measuring test, vehicle road test and engine bench resonance test show that the optimization can effectively prevent the oil pan from cracking.

Key words:Diesel Engine，Oil Pan，Cracking，Resonance

中圖分類(lèi)號(hào):U464.137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）02-0007-04

主題詞:柴油機(jī)油底殼開(kāi)裂共振