盧進(jìn)軍, 李繼新, 武建斌, 孫 陽, 李文超, 喬夢華

(1.中國北方車輛研究所,北京 100072;2.中國人民解放軍北京軍事代表局豐臺軍事代表室,北京 100072)

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重型車輛專用濾芯壓緊機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真與試驗研究

盧進(jìn)軍1, 李繼新1, 武建斌2, 孫 陽1, 李文超1, 喬夢華1

(1.中國北方車輛研究所,北京 100072;2.中國人民解放軍北京軍事代表局豐臺軍事代表室,北京 100072)

針對某重型車輛濾芯壓緊結(jié)構(gòu)存在的缺陷,利用狹小空間三維設(shè)計與動力學(xué)仿真相結(jié)合的方法,開發(fā)了一套功能可靠、操作簡單的濾芯壓緊機(jī)構(gòu),解決了長密封帶空氣濾芯的壓緊密封問題。本文在機(jī)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上建立了虛擬樣機(jī)模型,應(yīng)用Ansys Workbench工具系統(tǒng)中的Rigid Dynamics模塊進(jìn)行了運動狀態(tài)分析與干涉校驗,關(guān)鍵件動載分析、運動平穩(wěn)性分析和抱緊力分析等多項分析研究,研究結(jié)論證明該新型結(jié)構(gòu)滿足在狹小空間內(nèi)快速執(zhí)行濾芯壓緊固定的功能要求,同時壓緊力和限位裝置滿足使用要求,將新型機(jī)構(gòu)應(yīng)用到空濾系統(tǒng)中進(jìn)行了野外實車測試,6臺車共12套機(jī)構(gòu)平均行駛里程超過10000km,未出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象。

空氣濾清器; 濾芯; 密封; 壓緊機(jī)構(gòu); 試驗

1 引 言

在重型車輛的動力系統(tǒng)設(shè)計中,發(fā)動機(jī)輸出功率逐漸增高,內(nèi)燃機(jī)燃燒所需要的空氣量越來越多,在保證過濾材料強(qiáng)度的前提下,過濾面積需要加大。由于動力艙空間的限制,動力系統(tǒng)功率密度的不斷提高,導(dǎo)致空氣濾清器的體積,主要是二級濾清器的體積持續(xù)被壓縮,為了保證過空氣濾清器過濾面積,必須采用非傳統(tǒng)、高強(qiáng)度空氣濾芯,濾芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜,濾芯密封帶拉長。這種濾芯結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的壓緊方式在濾芯壓緊可靠性和操作上都存在著缺陷,具體表現(xiàn)為濾芯保養(yǎng)、更換困難、耗時長,不能全空間限位,且需要專用安裝工具的輔助才能完成濾芯的更換。

傳統(tǒng)的濾芯壓緊方式是通過轉(zhuǎn)動螺母推動錐形圓盤移動壓緊濾芯,見圖1。該壓緊方式在實際使用中存在三個問題:(1)操作空間狹小極其耗時,保養(yǎng)或更換濾芯時,需要將空氣濾清器總成吊出動力艙,消耗大量人力、時間;(2)濾芯需要施加的壓緊力很難控制,容易造成濾芯密封圈永久變形甚至損壞;(3)對于非圓形、密封帶較長的濾芯,需要不止1～2機(jī)構(gòu),在濾芯后端分別作用,存在壓緊力不均勻與不能完全壓緊的缺陷。

圖1 傳統(tǒng)濾芯壓緊結(jié)構(gòu)Fig.1 The traditional filter pressing structure

2 新型濾芯壓緊結(jié)構(gòu)

針對以上存在的問題,我們設(shè)計了一套新型濾芯壓緊機(jī)構(gòu),見圖2。該機(jī)構(gòu)由提桿、U型連接桿、短轉(zhuǎn)軸、長轉(zhuǎn)軸等組成。該壓緊機(jī)構(gòu)安裝于空氣濾清器箱體上,通過將壓緊機(jī)構(gòu)的提桿抬起、放下,實現(xiàn)了空氣濾芯的拆卸、壓緊功能,操作簡單、可靠,操作者在安裝濾芯時,確保零失誤;同時提桿、U型連接桿、短轉(zhuǎn)軸同時作用,對空氣濾芯實現(xiàn)六個自由度的限位,能有效滿足濾芯的動、靜態(tài)壓緊需求。濾芯壓緊狀態(tài)見圖3。

圖2 新型壓緊機(jī)構(gòu)Fig.2 The new filter pressing structure

圖3 濾芯壓緊狀態(tài)Fig.3 The filter pressing state

本文在構(gòu)建新型壓緊機(jī)構(gòu)三維模型之后,應(yīng)用動力學(xué)仿真工具Ansys Workbench系統(tǒng)中的Rigid Dynamics進(jìn)行動力學(xué)仿真研究。

產(chǎn)品開發(fā)工程師經(jīng)常會遇到各種運動機(jī)構(gòu)和動力學(xué)分析問題,有些情況過于復(fù)雜和特殊,特別是一些多連桿聯(lián)合運動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真問題,整個系統(tǒng)在運動過程中還要涉及到接觸碰撞等受力情況會給系統(tǒng)的動力學(xué)求解帶來極大的困難。Rigid Dynamics是新一代的動力學(xué)分析軟件,采用新的運動方程理論和完全遞歸算法,適合于求解大規(guī)模復(fù)雜的多體系統(tǒng)動力學(xué)問題,尤其是復(fù)雜的多接觸問題[1]。

Rigid Dynamics理論分析模塊是Ansys Workbench工作系統(tǒng)中的一個副模塊,其功能是解決多剛體系統(tǒng)中關(guān)鍵件的動力學(xué)響應(yīng)與優(yōu)化的計算問題,是解決機(jī)構(gòu)系統(tǒng)宏觀動力學(xué)問題的有效工具,計算過程基于如下假設(shè):

系統(tǒng)中各部件均為剛性體,密度成為唯一的材料屬性;

系統(tǒng)各零件之間通過鉸接和彈簧連接,粘性阻尼亦由彈簧代替;

系統(tǒng)的輸入和輸出均為力、力矩、位移、速度和加速度,理論基礎(chǔ)依然為牛頓第二運動定律、達(dá)朗貝爾原理等理論力學(xué)基本定律。

3 新型濾芯壓緊機(jī)構(gòu)建模

該壓緊機(jī)構(gòu)用于梯形濾芯的快速運動驅(qū)動并鎖止在固定位置,由于系統(tǒng)的運動主要是提桿驅(qū)動的套筒軸平面平行移動的問題,因此各個軸端采用具有旋轉(zhuǎn)約束的鏈接體聯(lián)接而成,連接方式采用鉸接即可,鉸接作用點可以施加扭轉(zhuǎn)彈簧以反映平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)剛度,本結(jié)構(gòu)套筒與軸之間均采用間隙配合,故扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)為零,其余連接體均設(shè)置為剛性桿。機(jī)構(gòu)的運動是通過驅(qū)動提桿裝置完成的,主要是通過上方位移驅(qū)動提桿和鉸接處施加扭矩來共同驅(qū)動的,由于提桿上端平面的位置需要精確定位,故將提桿上方提拉的運動簡化為水平方向的牽引運動[2]。

仿真模型的建立是在導(dǎo)入原有三維精確模型的基礎(chǔ)上,用Rigid Dynamics提供的多級系統(tǒng)建模和空間多接觸面,多連接定義快速構(gòu)建而成的,如圖4和圖5所示,并在此基礎(chǔ)上添加了驅(qū)動力、碰撞、運動副等約束條件,由于該結(jié)構(gòu)可以看作高速間歇運動,因此可以采用一系列分段的時間與運動位移坐標(biāo)來輸入運動參數(shù)。

4 新型濾芯壓緊機(jī)構(gòu)仿真分析

4.1 運動狀態(tài)與干涉校驗

在進(jìn)行多體動力學(xué)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的運動與動力學(xué)仿真分析中,第一步需要考慮系統(tǒng)中的主動件和從動件多運動的干涉影響,即考慮到在設(shè)計的平面柔度和扭轉(zhuǎn)柔度范圍內(nèi),提桿由初始位置擺動到終止位置,套筒由自由狀態(tài)到接觸濾芯后端表面,推動濾芯運動到達(dá)終了位置的整個過程壁面被卡住或干涉撞擊引起提桿、套筒等結(jié)構(gòu)變形。設(shè)計一定的提桿和套筒柔度有助于提高壓緊機(jī)構(gòu)的工作可靠性,但設(shè)計柔度不能過大,否則會引起鉤掛現(xiàn)象,產(chǎn)生運動不暢會提前鎖止,通常設(shè)計值在0.3-0.5為最佳[3],壓緊機(jī)構(gòu)的套筒中心軸空間位移曲線如圖6所示。

圖4 濾芯壓緊機(jī)構(gòu)與濾芯作用系統(tǒng)三維模型Fig.4The inter-action three-dimensional model of filter pressing mechanism and filter system

圖5 濾芯壓緊機(jī)構(gòu)與濾芯作用系統(tǒng)三維仿真模型Fig.5The inter-action three-dimensional simulation model of filter pressing mechanism and filter system

3.2 關(guān)鍵件動載與壓緊力響應(yīng)對比分析

新型壓緊機(jī)構(gòu)作用在濾芯后端蓋上的套筒是系統(tǒng)中負(fù)載較大的功能性部件,在傳統(tǒng)壓緊機(jī)構(gòu)中,螺旋壓盤也是直接作用在濾芯后端蓋上,是一種通過螺紋擰緊把力傳遞給濾芯的負(fù)載功能部件。在壓緊機(jī)構(gòu)高速間歇受載運動過程中,會周期性的、瞬時的以變載荷沖擊套筒,形成力的激勵和震蕩[3]。在本模型中,牽引運動的驅(qū)動可以近似的等效為由操作者施加的沖擊載荷,與傳統(tǒng)的壓緊機(jī)構(gòu)相比,新型壓緊機(jī)構(gòu)在沖擊載荷作用下的壓緊力變化曲線如圖7所示。

圖6 套筒中心軸空間位置Fig.6 The spatial position of the sleeve shaft center

圖7 新型壓緊機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)壓緊機(jī)構(gòu)壓緊力的加載情況對比圖Fig.7 Comparison of the loading condition of the new type and the traditional pressing mechanism

由壓緊力圖可以看出,新型壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊力在2s后達(dá)到恒定值,滿足濾芯持續(xù)壓緊狀態(tài),而傳統(tǒng)壓緊機(jī)構(gòu)壓緊力隨螺旋裝置的旋轉(zhuǎn),壓緊力持續(xù)增加,容易造成濾芯壓緊力過載,橡膠密封墊永久變形,梯形濾芯框架變形失穩(wěn),新型壓緊機(jī)構(gòu)解決了上述問題。

4.3 運動平穩(wěn)性分析

由于新型壓緊機(jī)構(gòu)中含有多種非線性因素,采用完全遞歸算法,對機(jī)構(gòu)連接零部件的各自由度運動幅值的斂散性進(jìn)行分析,來判斷新型濾芯壓緊機(jī)構(gòu)的運動平穩(wěn)性[4],同時得到考察運動平穩(wěn)性的參數(shù),及各連接件的運動加速度值,如圖8為U型連接桿的加速度響應(yīng)。

圖8 加速度響應(yīng)曲線Fig.8 The acceleration response curve

4.4 固定約束部分抱緊力分析

U型連接桿對空氣濾芯的抱緊力設(shè)計也十分重要,該值越大,濾芯系統(tǒng)壓緊后越穩(wěn)定,抱緊濾芯越可靠,但濾芯進(jìn)入接觸到完全抱緊過程產(chǎn)生的干涉力也越大,另一方面,U型連接桿與濾芯接觸摩擦消耗的能量會越來越大,對其它的相關(guān)機(jī)構(gòu)工作也不利。若該值較低,則容易使得濾芯在壓緊過程中產(chǎn)生橫向擺動[5],產(chǎn)生濾芯壓緊不正,存在密封失效隱患,因此需要進(jìn)行U型連接桿抱緊臂的抱緊力動態(tài)載荷分析,分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 抱緊力曲線圖Fig.9 The holding force curve

5 實車試驗

安裝了該濾芯壓緊機(jī)構(gòu)的樣車在10000km 不同路況的行車過程中,濾芯密封可靠,無泄漏;更換濾芯無需吊艙,方便快捷,拆裝濾芯平均時間不超過5min;而拆卸安裝傳統(tǒng)濾芯壓緊機(jī)構(gòu)的空氣濾清器濾芯則至少需要30分鐘,時間節(jié)省約83%。

6 結(jié) 論

本文應(yīng)用Ansys Workbench系統(tǒng)中的Rigid Dynamics多體動力學(xué)模塊,在導(dǎo)入原有實體模型的基礎(chǔ)上,快速構(gòu)建仿真模型。根據(jù)Rigid Dynamics分析流程提供的瀑布式建模路線進(jìn)行系統(tǒng)建模,運用空間多接觸設(shè)置和完全遞歸算法等特殊功能,對新型空氣濾清器特種濾芯壓緊機(jī)構(gòu)的運動與動力學(xué)分析問題進(jìn)行了動力學(xué)仿真,得到了作為設(shè)計校正和優(yōu)化參考的動力學(xué)參數(shù),為新型特種濾芯壓緊機(jī)構(gòu)的動力學(xué)設(shè)計提供了很好的設(shè)計校驗方法,仿真結(jié)果可以檢測壓緊機(jī)構(gòu)系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性和可靠性,并預(yù)測壓緊機(jī)構(gòu)故障的發(fā)生及現(xiàn)象模擬。

相對于傳統(tǒng)的壓緊機(jī)構(gòu),新型壓緊機(jī)構(gòu)在干涉校驗,關(guān)鍵件動載分析、運動平穩(wěn)性分析和壓緊力分析等多項分析研究中表現(xiàn)優(yōu)異,不僅滿足濾芯運動形式和固定位置的基本要求,其平穩(wěn)性、可靠性和運動速度都較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了大幅度的提高,是一種高效的、創(chuàng)新性的新型機(jī)構(gòu),可以推廣使用。

由于在計算碰撞過程中對CAD模型的要求較高,而現(xiàn)有模型的鈑金機(jī)加件模型及裝配位置公差等因素還有待精確和完善,因此本模型對鉸接結(jié)構(gòu)和連接體進(jìn)行了簡化,待更精確的模型建立后,可以在各鉸接零件間加入碰撞關(guān)系、摩擦副等約束,從而更充分的考慮各零部件的柔度、裝配間隙、空間碰撞等在高速間歇運動復(fù)雜狀態(tài)下的系統(tǒng)動力特性,進(jìn)一步豐富仿真得到的結(jié)果。

[1] ANSYS Workbench User’s Manual.

[2] 上官文斌,蔣學(xué)峰.發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程,1992,13(2):103-110.

SHANGGUAN Wen bin,JIANG Xue feng.Optimum design of engine mounting system[J].Automotive Engineering,1992,13(2):103-110.

[3] 閻紅玉,徐石安.發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的能量法解耦及優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程,1993,15(6):321-328.

YAN Hongyu,XU Shian.Energy method decoupling and optimization design of engine mount system[J].Automotive Engineering,1993,15(6):321-328.

[4] 成大先,機(jī)械設(shè)計手冊:機(jī)械傳動[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004. CHENG Daxian.Mechanical design handbook:mechanical transmission[M].Beijing:Chemical Industry Press,2004.

[5] 辜承林,機(jī)電動力系統(tǒng)分析[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,1998.

GU Chenglin.Analysis of electrical machine dynamic[M].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology Press,1998.

Dynamic Simulation and Experimental Study of Filter Pressing Mechanism for Heavy Duty Vehicles

LU Jinjun1, LI Jixin1, WU Jianbin2, SUN Yang1, LI Wenchao1, QIAO Menghua1

(1.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China;2.Fengtai Military Representative Office of Beijing military representative Bureau of the PLA,Beijing 100072,China)

Aiming at the defects of the filter pressing structure on a certain heavy vehicle,combined the method of narrow space 3D design and dynamic simulation,a set of filter pressing mechanism which has reliable function,simple operation was developed to solve the air filter’s seal up problems with long seal edge.Based on the 3D Mechanism Model,a virtual prototype model was established.The rigid dynamics module of ANSYS Workbench tool system was used to do a number of analysis such as the motion analysis and interference checking,the key parts of dynamic analysis,motion stability analysis and hold force analysis,the research conclusion show that the new structure meet the functional requirements expecially in the small space and the rapid implementation of the filter pressing force,the pressing force and the limit device meet the requirements.The new mechanism fixed in the air filtration system was trained in the field test,6 vehicles and a total of 12 machines structure were flated and the test mileage over 10000km,no seal failure phenomenon was detected.

air filters; filter element; seal; pressing mechanism; test

盧進(jìn)軍 男(1980-),河北廊坊人,副研究員,主要研究方向為特種車輛進(jìn)氣過濾技術(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真與優(yōu)化技術(shù)和過濾材料建模與仿真技術(shù)。

李繼新 女(1979-),山西應(yīng)縣人,副研究員,主要研究方向為特種車輛進(jìn)氣過濾技術(shù)、旋風(fēng)分離技術(shù)和空氣濾清器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。

TJ 8

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