柴油機飛輪殼輕量化優化設計分析

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摘要：本文以鑄鐵HT250飛輪殼進行結構優化，將飛輪殼材料由HT250優化為YL112，降低飛輪殼整體重量為目標，通過優化計算得出，優化后飛輪殼的最大主應力值為100MPa，較HT250飛輪殼的最大主應力在161.2MPa小得多，疲勞安全系數略小于HT250的飛輪殼；并且通過計算兩張材料下的動力總成模態頻率，采用YL112的飛輪殼1階模態頻率要高于HT250飛輪殼的1階模態頻率，說明優化后飛輪殼的剛度得到一定的提升；通過優化后最終飛輪殼的重量減輕4.5kg，輕量化效果明顯。

關鍵詞：飛輪殼；輕量化；動力總成；模態

近年來，由于環境污染，嚴重的霧霾不斷出現，對于環境保護的要求也越趨于嚴格，隨著國五排放標準的實施和國六排放標準的實施計劃，對汽車排放NOx、HC和PM標準及燃油耗標準的進一步嚴格限制，因此急需快速改善汽車的排放指標及降低整車油耗，而汽車輕量化對汽車排放指標和降低整車燃油消耗率帶來了巨大的利好。柴油機作為汽車的核心動力總成，其重量占汽車比重的很大一部分，對柴油機進行輕量化設計已經成為汽車輕量化設計的重要目標。柴油機輕量化設計能夠改善發動機的比功率及整車動力性和經濟性。零部件的輕量化設計能夠給汽車帶來降低NOX、HC及PM等排放污染物，使得汽車能夠滿足國家制定的國五和國六排放法規的效果，并且還能夠降低燃油消耗量，有試驗表明：汽車的總重量每降低10%，則燃油消耗量可以降低6-8%，排放污染物可以降低4%。目前，汽車的輕量化主要采用的有效措施為采用高強度碳鋼、復合材料、工程塑料、鋁合金、鎂合金及蠕墨鑄鐵等，在這些材料中，由于鎂合金材料價格較高，因此更得采用鋁合金材料，鋁合金材料具有較高的抗拉強度、加工性能、環保性能和耐腐蝕性能，同時鋁合金材料的密度較之鑄鐵材料更小，約1/3，說明鋁合金材料成為輕量化設計的首選材料之一，尤其是針對柴油機輕量化來算，鋁合金材料尤為重要。對柴油機產品重要特性為C級的鑄鐵零部件進行統計，包括空調壓縮機支架、發電機支架、動力轉向泵支架和飛輪殼等部件，發現這些鑄鐵件總重量超過20kg，有些產品達到40kg，甚至更高的重量。通過調研發現，壓鑄鋁的飛輪殼已經在國內市場上投入使用。壓鑄鋁飛輪殼不僅使用在乘用車，而且商用柴油車上也得到應用，例如東風貨車、曼發動機、五十鈴、大眾等，從目前的狀況來看，將發動機飛輪殼由HT250更改為壓鑄鋁，從而降低發動機整機質量成為一種趨勢。

1計算邊界條件及計算目標

利用UGNX6.0建立附件模型，由于結構相對較為復雜，因此采用二階四面體單元，在考慮計算機性能的前提下，盡量要求飛輪殼的網格更加細致。在分析時，為減少計算量，計算過程中按動力總成及飛輪殼零部件強度計算。根據表1-表3參數設計計算目標，柴油機轉速為800-3600rpm，則其二階發火頻率為26-120Hz，要求柴油機附近支架頻率大于（1.3±0.1）*120HZ=144-168HZ，則附件支架的安全系數為1.2-1.4。動力總成有限元模型的建立，通過利用有限元軟件建立機體-飛輪殼-變速箱的動力總成模型如圖1。由于有限元計算無法完成非線性模態分析，因此機體與飛輪殼之間通過RBE單元連接螺栓孔，飛輪殼與變速箱支架通過RBE連接螺栓孔，有限元網格采用3.5mm的C3D10M，其中機體節點1404978，單元820410，飛輪殼節點共619164個，單元共186018個；變速總成節點739602個，單元共1427224個。

2飛輪殼靜強度計算

針對飛輪殼進行靜強度計算，計算邊界按過凹槽6G，轉彎時X為0；Y為2G；Z為5G，碰撞時取8G載荷的方式加載。通過加載載荷計算得出，材料為HT250時，該結構的最大主應力值為161.2MPa，如圖2所示；材料為壓鑄鋁YL112時，優化結構的最大主應力值為100MPa，如圖3所示；新結構的應力值小于原結構的應力值，說明新結構的優化狀態較好。對飛輪殼進行疲勞強度計算，其結果可知，HT250飛輪殼的最小疲勞安全系數為1.94，如圖4所示；材料為YL112的飛輪殼最小疲勞安全系數為1.89，如圖5所示；優化后安全系數大于1.25，滿足強度要求。

3動力總成模態分析

通過對比計算兩張結構下的動力總成模態頻率，原結構HT250飛輪殼的動力總成系統1階模態頻率為152Hz，如圖6所示；二階模態頻率為157Hz，如圖7所示；采用壓鑄鋁YL112后，優化飛輪殼結構，動力總成系統的1階模態頻率為180Hz，如圖8所示；二階模態頻率為221Hz，如圖9所示；以上數據說明優化后新結構的動力總成系統剛度有一定的提升，通過改善零部件結構可以提升零部件整體剛度，從而改善系統剛度。

4小結

①通過對飛輪殼進行靜強度對比計算與分析，采用HT250飛輪殼的最大主應力值為161.2MPa，通過計算疲勞循環，得出最小疲勞安全系數為1.94；采用壓鑄鋁YL112的飛輪殼，由于鑄造工藝差異，對結構進行優化，最終該飛輪殼的最大主應力值為100MPa，其最小疲勞安全系數為1.89；②對兩種材料的飛輪殼進行動力系統模態計算，采用HT250飛輪殼的動力總成系統1階模態頻率為152Hz，采用壓鑄鋁YL112飛輪殼的動力總成系統1階模態頻率為180Hz；③因材料由HT250優化為壓鑄鋁YL112，則飛輪殼重量由原來HT250結構的8.5kg減至YL112結構的4kg，減重4.5kg，說明減重效果明顯。

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作者:顧偉 李明 徐遠志 單位:1.西南林業大學機械與交通學院 2.西南林業大學 3.昆明云內動力股份有限公司