发动机前罩壳结构设计及校核

雷正雨,潘文进

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

为匹配一款新开发的前驱链传动发动机，需要进行发动机前罩壳结构设计。由于该发动机机构紧凑，所以必须将发动机的机油泵壳体和发动机前悬挂点融入该前罩壳结构中。

发动机前罩壳，是发动机正时传动系统的外围件。在皮带传动的设计中，它主要是为密封正时传动系统、遮尘、吸声减少正时传动系统辐射噪声的；而在链条传动系统中，链系统需要润滑用的机油也需要密封，所以前罩壳的结构就复杂化了，通常要与缸体、缸盖、机油盘和缸盖罩等部件连接，一起形成正时链传动的密封仓。

下面以发动机零部件的设计流程，来进行发动机前罩壳的结构设计。

1 概念设计

概念设计包括选择材质、确定结构、确定油路布置等，确定发动机前罩壳大致的结构设计。

（1）选择材料。发动机前罩壳通用的材质有冷轧钢板、工程塑料和铝这三种。其中，冷轧钢板适用于易冲压成型的前罩壳；为了轻量化和降低成本，皮带传动的前罩壳则多采用塑料材质；链传动的前罩壳由于结构复杂，不易冲压成型，多采用铸造的方式生产，故不适合采用冷轧钢板，大多采用塑料或铝铸件。由于该前罩壳结构需要安置前悬挂点，对结构的强度要求较高，所以选用铝为前罩壳的材料。

（2）确定结构。由于发动机结构紧凑，所以选择将前罩壳与机油泵壳体设计成一体。这样前罩壳结构设计时，需要考虑的接合面分别为：缸体前端面、缸盖前端面和链系统布置，以及缸盖罩和机油盘的密封形式。通过确定的以上接合面（如图1所示），可以设计出前罩壳的大致轮廓（如图2所示）。

（3）确定油路布置。由于在前罩壳与机油泵一体式设计中，通常需要考虑机油泵进出油路的布置。特别是当机油泵布置在前罩壳外侧（即机油泵转子盖在外侧）时，进出油路就需要布置在机油泵上。而且有时发动机缸体、缸盖较紧凑，不方便布置油路，这时也可以将油路布置在机油泵上。由于该发动机缸体、缸盖有合适位置布置油路，可以选择机油泵在前罩壳内侧的结构，这样机油泵转子盖可以直接与缸体接触，而机油泵的进出油口，可以直接放在转子盖上与缸体的油道连通。

图1 接合面示意图

图2 初始轮廓图

2 布局设计

在确定概念设计后，结合链系统布置、接口密封类型，可以详细确定各接口和加强筋等结构。

（1）在做好前罩壳大致轮廓设计后，可以将选择好的机油泵壳体部分，按整体设计好的位置放入前罩壳中，再适当调整好连接处的过渡。注意保证连接光滑和检查壁厚、检查与内侧的链系统以及与外侧附件轮系间的间隙即可。

（2）由于发动机的前悬挂安装点在前罩壳上，而前罩壳大部分为壳体结构，因此需要合理布置好加强筋，才能使前罩壳的强度满足安装前悬挂的要求。由于前罩壳内部空间足够布置加强筋，所以将加强筋布置在前罩壳内侧，由于在内侧要保留加强筋与链系统足够的间隙，才能保证前罩壳与链系统不干涉，最后布置的加强筋如图3所示。

图3 布置加强筋后的结构

图4 胶槽示意图

（3）由于该发动机采用终身免维护的静音链传动，所以选择前罩壳与气缸体、气缸盖和机油盘的接合面采用涂胶密封，而气缸盖罩与前罩壳则采用气缸盖罩密封垫来密封。对于涂胶密封的接合面处，需要有胶槽来加强密封性能，因此需要合理布置胶槽如图4所示。

3 详细设计

详细设计，是在布局设计的基础上进行详细的三维设计。前面已经设计好了前罩壳整体结构，在详细设计阶段，只需要将各连接处用合适的圆角过渡好。注意最后检查壁厚、检查与内侧的链系统，以及与外侧附件轮系之间的间隙。详细设计后的三维图如图5所示。

图5 详细设计后的三维图

4 CAE分析校核及优化

在详细设计完成后，有了完整的三维模型，就可以用CAE软件分析其结构的合理性。通过结构有限元分析，来确定设计的结构强度是否满足设计要求，安全系数是否在允许范围内。而模态分析，可以用于分析结构的振动特性，即确定结构的固有频率和振型，它可以帮助分析设计的结构发生共振的频率点，以避免由共振引起的破坏，也是谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等其他动力学分析的基础。本次的设计分析，是在ANSYS Workbench V10.0软件中完成的。具体过程如下：

（1）模型和材料物理性能输入。将前面设计好的三维模型直接导入ANSYS Workbench V10.0软件中。由于仅做有限元结构和模态分析，只需要有材料的物理性能即可。从软件的材料库中选择好材料，并修改好材料的具体物理性能参数，将其材料物理性能赋给导入的前罩壳。导入的材料物理性能如表1。

表1 材料物理性能表

（2）网格划分。利用ANSYS Workbench V10.0软件，采用等四面体十节点实体单元，对前罩壳进行结构分析前的有限元网格划分，将模型划分138954个单元，231919个节点，节点单元网格划分后的离散结构如图6所示。

（3）施加边界条件。在前罩壳的受力中，主要考虑前悬挂受力时的情况。为方便设计输入，可以将发动机安装的状态等效成固定发动机，然后在前悬挂点上施加与发动机自重相同、方向向上的力（F1）。这样只需固定前罩壳上的螺栓头接触面，再在与发动机接合面施加螺栓预紧力产生的压力（F2）即可。如图7所示，施加的力F1为1 600 N，F2为45 N。

图6 离散结构图

图7 边界载荷图

（4）有限元分析及分析结果云图。定义好个边界条件和输入后，经过软件计算后，结果云图如图8所示。

图8 有限元分析结果云图

从图8中可以看出，最大等效应力为31.53 MPa，最大剪切应力为18.17 MPa，最大变形量为0.004 695 mm，安全系数为2.624。经分析，最大应力比材料的屈服强度280 MPa小很多，在安全范围内；安全系数也满足一般大于1.5的设计要求。由最大应力位置可知，如果需要改进，可以将其位置的倒角半径加大，或者将附近的螺栓孔外移。由于这两处改动均受安装条件和整机空间所限，且该设计已经满足安全性要求，故未进一步改进。

（5）模态分析及分析结果。模态分析也要经过导入三维模型、定义材料特性、划分离散网格、定义边界载荷和设定模态分析类型数个步骤。其中，模态分析的边界载荷定义（即边界支撑类型）有数种方式：自由支撑、固定支撑和原装支撑。其中原装支撑，是最优工况状态的边界模拟，自由支撑可以分析出自振频率特性，它和固定支撑都是原装支撑的一种特殊工况。所以在本次分析中，采用了尽量接近原装支撑的边界约束——按安装的固定和载荷来约束。最后的分析结果云图如图9。

图9 模态分析结果云图

从图9的分析云图可知，前罩壳一阶模态频率为1 430.76 Hz；二阶模态频率为2 883.99 Hz；三阶模态频率为3 025.71 Hz；四阶模态频率为4 006.78 Hz。由于发动机的转速最高为6 000 r/min，计算成频率为200 Hz。而前罩壳的计算模态前四阶频率均远大于发动机自身的激振频率的5倍（1 000 Hz），故可以判断前罩壳安装于发动机后不会发生共振，说明该前罩壳的结构设计在模态上符合设计要求。

5 结束语

经过以上设计和CAE分析校核，该发动机前罩壳的设计，满足所需设计要求。

[1]西北工业大学．机械设计[M]．北京：人民教育出版社，1979.

[2]吴宗泽．机械设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2004.

[3]朱鼎仙．中国内燃机工程师手册[M]．上海：上海科技技术出版社，2000.

[4]黄国权．有限元法基础及ANSYS应用[M]．北京：机械工业出版社，2004.

[5]沃德·海伦等．模态分析理论与试验[M]．北京：北京理工大学出版社，2001.