微型车用三缸国五柴油机机体的正向设计和强度优化研究

摘要

为提高企业的竞争力,拓展小型柴油机平台的覆盖范围,并响应国家提出的“微车柴油化”重点示范工程项目,本课题组与国内某自主品牌发动机厂商合作,在该公司原有的1.5L四缸国四柴油机平台的基础上开发满足《车用压燃式、气体点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国五阶段)》(下文简称国五)排放法规的1.0L三缸柴油机。
　　因三缸发动机本身的NVH特性较差,为满足微型乘用车对于舒适性的要求,1.0L三缸柴油机增加了平衡轴系统及其传动装置。本论文主要针对三缸机机体在增加平衡轴孔的相关结构后,机体两侧的力流线不对称,导致机体的强度和刚度下降,而为了满足国五排放法规的要求又需要增大机体的强度和刚度这一设计难题,开展了机体的正向设计。
　　首先,围绕着降低开发成本以及拓展小排量柴油机平台的开发思路,在正向设计开发体系的要求下,确定了1.0L三缸柴油机的缸径、行程、曲柄半径等机体需要的基本设计边界。在此基础上,通过运动件包络、运动轨迹干涉检查等手段,确定了机体缸孔的高度和曲轴箱的轮廓,进而进行机体的水套、润滑油路及回油道的原创性设计。并通过平衡计算,设计由曲轴、飞轮、皮带轮和平衡轴共同组成的平衡系统,改善三缸机的 NVH特性。根据优化后的平衡轴外形尺寸,综合考虑安装、驱动等因素,为机体增加平衡轴孔的相关结构,布置相应的平衡轴座润滑油路,优化机体平衡轴侧的回油道,创建机体的概念设计模型。
　　其次,按照机体的正向设计流程,第一步校核机体概念设计方案的刚度,对机体概念设计模型进行了模态分析和研究。第二步验证机体主轴承壁的应力分布情况和疲劳强度,因为主轴承壁部分是机体受力较为复杂的区域,尤其是该机体增加平衡轴孔的相关结构后,主轴承壁两侧的结构不对称,因此需要根据机体主轴承壁的强度和疲劳寿命分析结果,优化主轴承壁的结构。第三步模拟缸孔在热应力和机械应力共同作用下的变形情况,因为缸孔变形的大小直接影响发动机的机油消耗量、功率损耗和燃油消耗量等参数,因此对机体进行基于流固耦合的缸孔变形计算,将缸孔变形控制在许用范围内,达到国五排放对机体的设计要求。
　　最终,考虑拔模分型等工艺因素创建机体的详细设计三维并绘制二维工程图,指导企业对1.0L三缸柴油机进行样机试制。目前该款柴油机正在进行初步的燃烧开发,外特性试验数据表明,标定点3600rpm时,功率达到了43.8Kw,满足设计指标。最大扭矩135.95Nm/2000rpm,外特性最低燃油消耗率为217g/kW?h,样机的各项性能指标均达到或超过了开发目标值。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 内燃机行业现状

1.3 内燃机行业技术现状

1.4 课题背景及意义

1.5 本课题的引出及主要工作内容

第二章 机体正向开发边界及概念设计方案确定

2.1 机体正向开发边界的确定

2.2 机体润滑油路及回油道的设计

2.3 平衡轴方案的设计

2.4 本章小结

第三章 机体的模态分析研究

3.1 模态分析理论及应用现状

3.2 1.0L三缸机机体的模态分析

3.3 本章小结

第四章 机体主轴承壁强度的研究与优化

4.1 计算描述

4.2 计算模型及网格划分

4.3 主轴承壁强度计算设置

4.4 计算方案及结果分析

4.5 疲劳计算结果

第五章 基于流固耦合的缸孔变形计算及分析

5.1 缸孔变形机理分析及评价方法

5.2 流固耦合理论介绍

5.3 缸孔变形流固耦合计算

第六章 1.0L柴油机样机试验验证

6.1 试验设备及条件

6.2 整机性能试验

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢