基于有限元方法的单缸柴油机机体组件结构改进设计

摘要

X170F风冷柴油机是江苏某柴油机有限公司的主要产品之一。但是X170F柴油机设计过于落后、结构相对陈旧、耗能较大,一些技术参数已不能满足第二代单缸柴油机的要求,尤其在重量指标上严重超重。
　　 有限元法是目前较为有效的研究复杂结构刚度和强度问题的一种数值分析方法。将它应用到内燃机的设计开发中能够大大的提高零部件设计的可靠性,同时缩短设计的周期。
　　 本文主要进行单缸柴油机曲轴箱的结构设计研究。针对原单缸柴油机整机比质量过大的问题,将铸铁机体改成铝合金材料。针对两种材料的特性不同,尤其是后者的弹性模量较小,易变形,所以应在保证结构强度的前提下,重点考核曲轴箱、气缸套、主轴承座等主要零部件的刚度和主要孔系的变形,旨在降低危险部位的应力和变形,满足柴油机的性能要求。
　　 本文以X170F型柴油机机体组件为研究对象,对其强度和变形进行了有限元分析。运用三维建模软件Pro/E建立了X170F柴油机机体组件的三维模型。利用Hypermesh对机体组件三维模型进行网格划分,设置了位移边界条件和力边界条件;分析了减少原机整机比质量、设计了轻量化后的结构改进路线。进行了六套方案的发动机机体组件变形研究,提出了气缸套内孔变形评价指标,论证了最终改进方案的可行性。进行两种工况下机体组件的应力研究,对改进设计前后的曲轴箱应力、气缸套应力等进行了对比分析,柴油机轻量化后的曲轴箱应力分布基本一致,能满足设计目标要求。
　　 原铸铁曲轴箱整机质量为47.0kg,改进后的铝合金曲轴箱整机质量为39.3kg,下降16.38%。改进后的铝合金曲轴箱在样机试验和批量使用中各项指标均达到和超过原铸铁曲轴箱的指标,使曲轴箱设计一次性成功。