发动机控制单元外壳三维设计与计算分析.pdf

凿燥蚤院员园援猿怨远怨辕 躁援 蚤泽泽灶援员远苑员 原缘源源远援 圆园圆猿援园圆援园园愿发动机控制单元外壳三维设计与计算分析鄢靳越峰员袁圆袁沈骐骥员袁圆袁杨琛员袁圆袁杨殿勇员袁圆袁陆召振员袁圆渊员援 中国一汽无锡油泵油嘴研究所袁江苏 无锡 圆员源园远猿曰圆援 一汽解放商用车开发院袁江苏 无锡 圆员源园远猿冤摘要院设计了发动机控制单元渊耘悦哉冤外壳的三维 孕则燥辕 耘 模型袁并以有限元计算软件 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 为分析平台袁运用有限元分析方法分别完成外壳在热载荷和机械载荷作用下的温度场和应力场以及模态计算袁并对模态前 远 阶固有频率进行了分析袁最后通过外壳振动试验来验证设计袁为 耘悦哉 外壳设计提供一种简明可靠的设计方法遥关键词院外壳模型曰孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬曰有限元分析曰振动试验中图分类号院栽运源园猿 文献标志码院粤 文章编号院员远苑员 原缘源源远渊圆园圆猿冤园圆 原园园猿缘 原园缘阅藻泽蚤早灶 葬灶凿 悦葬造糟怎造葬贼蚤燥灶 粤灶葬造赠泽蚤泽 枣燥则 酝燥凿藻造 燥枣 耘灶早蚤灶藻 悦燥灶贼则燥造 哉灶蚤贼允陨晕 再怎藻枣藻灶早员袁圆袁杂匀耘晕 匝蚤躁蚤员袁圆袁再粤晕郧 悦澡藻灶员袁圆袁再粤晕郧 阅蚤葬灶赠燥灶早员袁圆袁蕴哉 在澡葬燥扎澡藻灶员袁圆渊员援 云粤宰 宰怎曾蚤 云怎藻造 陨灶躁藻糟贼 耘择怎蚤责皂藻灶贼 砸藻泽藻葬则糟澡 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻袁宰怎曾蚤 圆员源园远猿袁悦澡蚤灶葬曰圆援 云粤宰 允蚤藻枣葬灶早 悦燥皂皂藻则糟蚤葬造 灾藻澡蚤糟造藻 阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻袁宰怎曾蚤 圆员源园远猿袁悦澡蚤灶葬冤粤遭泽贼则葬糟贼院 栽澡藻 皂燥凿藻造 燥枣 藻灶早蚤灶藻 糟燥灶贼则燥造 怎灶蚤贼渊耘悦哉冤 蚤泽 泽蚤皂责造蚤枣蚤藻凿 葬泽 葬 泽赠皂皂藻贼则赠 责葬则贼援 月葬泽藻凿 燥灶 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 责造葬贼枣燥则皂袁枣蚤灶蚤贼藻 藻造藻皂藻灶贼皂藻贼澡燥凿 蚤泽 怎泽藻凿 贼燥 葬灶葬造赠扎藻 贼澡藻 贼藻皂责藻则葬贼怎则藻 枣蚤藻造凿 葬灶凿 泽贼则藻泽泽 枣蚤藻造凿 怎灶凿藻则 贼澡藻 贼澡藻则皂葬造 葬灶凿 皂藻糟澡葬灶蚤糟葬造 造燥葬凿泽袁则藻泽责藻糟贼蚤增藻造赠袁葬灶凿 贼澡藻则皂葬造鄄泽贼则怎糟鄄贼怎则藻 糟燥怎责造蚤灶早 葬泽 憎藻造造援 栽澡藻 则藻泽怎造贼 燥枣 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶 责则藻泽藻灶贼泽 葬 灶藻憎 藻枣枣蚤糟蚤藻灶贼 葬灶凿 糟燥灶增藻灶蚤藻灶贼 憎葬赠 贼燥 燥责贼蚤皂蚤扎藻 责蚤泽贼燥灶 凿藻泽蚤早灶援运藻赠 憎燥则凿泽院 皂燥凿藻造曰孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬曰枣蚤灶蚤贼藻 藻造藻皂藻灶贼 葬灶葬造赠泽蚤泽曰增蚤遭则葬贼蚤燥灶 贼藻灶贼葬贼蚤燥灶引 言 耘悦哉 是一个软硬件结合的电子设备袁包括带有电子器件的印制电路板渊孕悦月冤以及用于安装固定孕悦月 的金属外壳遥 发动机工作时袁耘悦哉 工作环境恶劣袁长期处于热载荷和机械载荷的交变作用下袁为了保证 耘悦哉 工作可靠袁需要对其进行热载荷与机械载荷的模拟计算来评估 耘悦哉 外壳设计的可靠性遥有限元分析技术在工业设计中越来越受重视遥孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 是一款优秀的三维有限元分析软件袁可以与 孕则燥辕 耘 进行无缝连接遥 其主要包括以下几个模块院淤结构分析模块袁可以进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析遥 可以完成的分析种类有静态分析尧模态分析尧曲屈分析尧接触分析尧预紧分析以及振动分析等遥 于温度分析模块袁可以进行零件模型或装配件模型的稳态和瞬态温度分析袁也可以根据温度问题进行灵敏度分析和优化设计遥 盂运动分析模块袁进行机构分析和机构运动优化设计袁可以进行三维静态分析尧运动学分析尧动力学分析等咱员暂遥员 耘悦哉 外壳建模和有限元配置根据 孕悦月 裸板设计 耘悦哉 外壳袁孕悦月 外型尺寸员苑缘 伊员缘缘 伊员援 远袁单位 皂皂遥 板上元器件最大高度是圆苑 皂皂袁如图 员 所示遥 孕悦月 板的边缘 缘 皂皂 范围起着图 员 孕悦月 外形尺寸第 圆 期渊总第 员怨园 期冤 现 代 车 用 动 力 晕燥郾 圆渊泽藻则蚤葬造 晕燥郾 员怨园冤 圆园圆猿 年 缘 月 酝韵阅耘砸晕 灾耘匀陨悦蕴耘 孕韵宰耘砸 酝葬赠郾 圆园圆猿 鄢收稿日期院圆园圆圆 原员员 原员圆作者简介院靳越峰渊员怨愿圆要冤袁男袁河南安阳人袁高级工程师袁主要负责发动机电控系统开发应用遥垂直方向的固定作用袁承受外壳压力遥 孕悦月 中部边缘有 圆 个直径 员圆 皂皂 的半圆与外壳相应处匹配袁起着水平方向的固定作用遥员援 员 耘悦哉 外壳建模耘悦哉 外壳分为上下 圆 部分袁上壳通过孔径为愿援 缘 皂皂的通孔安装在发动机上曰下壳有固定 孕悦月 的安装孔曰孕悦月 板可通过上下壳野压接冶固定曰上壳面开有防水塞孔曰内部设有密封胶槽袁槽与 孕悦月 板不直接相连遥 上下壳通过 远 个 酝缘 的螺钉连接遥 壳的材质为合金铝袁通体壳厚度为 猿 皂皂袁上壳起固定作用袁与发动机接触部位的壳厚度增加到 苑 皂皂袁并设计加强筋袁增加壳体的强度曰下壳背面开有散热槽袁用于 耘悦哉 板上驱动电路的散热遥 耘悦哉 外壳的外形尺寸为 圆圆园 伊 员苑员 伊 猿苑袁开口尺寸为 圆缘 伊 源缘袁单位皂皂遥 耘悦哉 外壳的 孕则燥辕 耘 三维建模袁如图 圆 所示遥图 圆 耘悦哉 外壳三维建模员援 圆 材料属性设定将 耘悦哉 外壳三维模型移至 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 环境下袁选取适当的分析模式袁设置模型材质袁分别配置铝合金 粤蕴圆园员源尧孕悦月 板尧钢制螺钉 猿 种材质袁设定密度尧热膨胀系数尧泊松比等袁然后加入到模型中袁表 员为模型材料属性配置表遥表 员 材料属性配置表材质密度辕渊噪早 窑 皂原猿冤热膨胀系数辕 益弹性模量辕酝孕葬泊松比外壳渊铝冤圆援 苑怨 伊员园猿圆援 猿园 伊员园原缘苑援 园 伊员园源园援猿猿孕悦月 板员援 怨园 伊员园猿圆援 苑园 伊员园原缘员援 员 伊员园源园援圆愿钢板渊源园郧则冤苑援 愿缘 伊员园猿员援 员苑 伊员园原缘圆援 园 伊员园缘园援圆愿螺钉渊源缘 钢冤苑援 愿缘 伊员园猿员援 员苑 伊员园原缘圆援 园 伊员园缘园援圆愿员援 猿 理想化配置假设 耘悦哉 外壳的长为 蕴袁宽为 阅袁最大壁厚 匀为 苑 皂皂袁则 蕴逸员园匀袁阅逸员园匀遥 根据有限元理论可以对模型进行理想化袁使得网格划分数目显著减少袁缩短计算时间且不失真袁有利于后续分析遥 本模型中分别对 耘悦哉 外壳尧孕悦月 板进行壳的理想化配置遥员援 源 紧固件螺钉的配置耘悦哉 上下壳之间通过 远 个 酝缘 的螺钉连接袁在孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 中提供了 圆 个物体连接的多种方式袁包括界面尧焊接尧刚性尧紧固件等袁其中紧固件连接可以真实模拟螺钉连接的状态袁对螺钉连接设定载荷袁螺钉配置如表 圆 所示遥表 圆 螺钉属性配置螺钉规格材质拧紧力距辕 渊晕 窑 皂冤连接位置酝猿源缘 钢圆援 缘孕悦月 与下壳酝缘源缘 钢缘援 园下壳与上壳酝愿源缘 钢员圆援 园上壳与固定钢板圆 计算分析及试验圆援 员 热载荷计算分析本文研究的是发动机稳态状况下 耘悦哉 外壳的温度分度袁所述的稳定状态指院在发动机试验时袁发动机经历过磨合期后袁冷却水温度处于 苑缘 耀怨园 益时袁就可以进行发动机的其他性能试验遥 发动机实验室为长尧宽尧高均为 远 皂 的空间袁发动机处于房间的中间袁耘悦哉 安装在发动机上遥 耘悦哉 外壳的热源有圆 个袁一个是 耘悦哉 内部 孕悦月 上电子元器件的热源袁根据 耘悦哉 电压 圆源 灾 与工作电流 圆援 圆 粤 可以测得耘悦哉 功率约为 缘园 宰曰另一个热源为发动机的散热袁其单位面积功率为员 宰遥 耘悦哉 与发动机实验室的对流换热系数为 缘 宰辕 渊皂圆窑 益冤袁发动机实验室温度为猿缘 益袁发动机稳态温度为 愿园 益遥在 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 的热分析模式下袁对 耘悦哉 外壳加载边界条件和热载荷之后袁软件会自动完成对耘悦哉 外壳的网格划分袁图 猿 为添加热载荷和约束后的模型状态遥图 猿 添加热载荷和边界约束后模型状态从图 源 可以看出袁耘悦哉 外壳在发动机导热以及自身发热作用下的稳态温度最大值是远园援 苑 益袁最高远猿现 代 车 用 动 力 圆园圆猿 年第 圆 期 温度出现在 耘悦哉 下壳底部中心位置袁出现这种情况的原因院一是该面外壳外侧直接与发动机接触袁二是该面内侧与 孕悦月 发热区接触袁且壳内属于密闭区袁内部不利于散热曰耘悦哉 外壳温度最低处在上壳袁其表面温度为 源远援 源 益袁原因是上壳距离 孕悦月 发热区圆苑 皂皂袁上壳外侧有发动机实验室的空气对流袁有利于外壳散热遥图 源 耘悦哉 外壳热计算云图圆援 圆 耘悦哉 外壳散热片的热载荷分析在 耘悦哉 下壳添加 圆缘 个长 员猿园 皂皂尧宽 猿 皂皂尧深猿 皂皂 的散热槽袁重新设计下壳模型袁设计模型如图缘 所示遥图 缘 带有散热槽的下壳新模型在 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 的热分析模式下袁对新设计的耘悦哉 外壳加载上例同样的边界条件和热载荷之后袁重新进行热计算袁计算的云图如图 远 所示遥图 远 带有散热槽的 耘悦哉 外壳热计算云图从图 远 可以看出袁耘悦哉 外壳添加散热槽后袁外壳稳态温度最大值是缘苑援 怨 益袁最高温度出现的地方仍然在 耘悦哉 下壳中心位置曰耘悦哉 外壳温度最低处在上壳袁其表面温度为 源缘援 圆 益遥 耘悦哉 外壳在添加散热槽后外壳表面最高温度下降约员 益袁下降不明显袁原因可能是上壳外侧与发动机实验室的空气对流已处于相对平衡状态袁发动机实验室散热量已经处于最大能力状态袁致使散热相对稳定袁耘悦哉 外壳散热能力没有显著增加遥圆援 猿 耘悦哉 外壳静态分析静态分析计算是在指定载荷和指定约束下袁模型上所产生的变形尧应力和应变袁可使用静态分析来模拟预加刚度或预应力结构对模型的变形尧应力和应变的影响咱圆暂遥孕悦月 板通过 源 个 酝猿 的螺钉固定在 耘悦哉 外壳下壳上袁下壳与上壳通过 远 个 酝缘 的螺钉连接袁上壳侧边有 远 个 准愿 的通孔通过螺栓固定在发动机体上遥 本设计以一块钢板来代替发动机结构袁在 孕则燥辕酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 结构分析模式中袁通过平面约束来固定钢板的 远 个自由度袁对带有散热槽的 耘悦哉 外壳施加约束边界条件和螺钉预紧载荷之后袁进行四面体网格划分袁网格化后外壳模型如图 苑 所示遥图 苑 网格化后的外壳模型经过 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 静态结构分析之后袁耘悦哉外壳的静态位移云图如图 愿 所示袁从图中可以看到袁外壳与钢板的螺钉连接处变形颜色较别处深袁但绝对变形量却只有 源援 圆缘 伊员园原猿皂皂袁说明在 员圆 晕 窑 皂 的拧紧力矩下袁耘悦哉 外壳与发动机紧固连接袁耘悦哉 外壳基本上没有变形袁满足需要曰根据应力尧应变与位移呈一定的反比关系可知袁应力尧应变的最大值也集中在最大位移处袁并且绝对数值很小袁不对模型产生破环遥图 愿 外壳静态位移计算云图苑猿 圆园圆猿 年第 圆 期 靳越峰袁等院发动机控制单元外壳三维设计与计算分析圆援 源 耘悦哉 外壳模态分析模态分析是研究结构动力特性的一种方法袁是系统辨别方法在振动领域的应用遥 模态是机械结构固有特性袁每一个模态具有特定的固有频率尧振型袁这些参数可以由计算或试验取得咱猿鄄缘暂遥发动机工作时一直处于振动状态袁这种振动必将通过连接件传递给 耘悦哉 外壳袁因此有必要对外壳进行模态分析袁通过研究外壳的固有频率等模态参数袁来校验 耘悦哉 外壳的结构是否合理遥 对 耘悦哉 外壳的模态分析即对外壳的振动特性分析袁为振动故障及结构动态特性的优化设计提供依据遥外壳的低阶模态才对振动分析有实际的参考价值袁利用 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 有限元软件求得了外壳 员园阶模态咱远暂遥 由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合袁其中低阶的振型对结构的动力影响比高阶振型大袁因此低阶振型决定了结构的动态特性袁对应本模态分析取前 远 阶模态固有频率的振型袁从模态云图上显示结果更容易看出各阶振动的方向和相对幅值大小袁图 怨 为前 远 阶固定频率下的模态云图遥 模态分析的前 远 阶各阶固有频率如表 猿所示遥图 怨 前 远 阶不同固定频率模态云图表 猿 前 远 阶固有频率参数阶数频率辕 匀扎员员 圆圆园圆员 猿圆园猿圆 猿员远源圆 猿源远缘圆 缘怨园远圆 愿猿愿从图 怨 中可以看出前 远 阶弯曲振动和扭转振动主要集中在 耘悦哉 外壳的开口处袁因此可以认为袁这远 阶模态在 耘悦哉 外壳开口处的振动较为显著袁分析造成这一现象的原因可知袁该处属于壳体开口而且受外界约束较少曰在发动机运行或者车辆行驶时袁容易将振动集中此处袁影响外壳的使用寿命遥安装在发动机上的 耘悦哉 外壳袁一般受到 圆 类激振袁其频率来源为院一是发动机刚启动处于热机状态时袁振动是由发动机怠速振动引起的袁此时振动频率范围在 猿猿 匀扎 以上咱苑暂袁当发动机的最大转速 灶 为猿 园园园 则辕 皂蚤灶袁设频率为 枣袁单位为 匀扎袁由 枣 越 原 灶辕远园得出袁最大回转频率为 缘园 匀扎曰二是当发动机跟随汽车行驶在地面上受到的激振频率袁其频率大约为园 耀缘园 匀扎遥综上可知袁耘悦哉 外壳的一阶固有频率 员 圆圆园 匀扎远大于在行驶中受到的激振频率 缘园 匀扎袁因此袁外壳不会产生与发动机以及汽车的共振现象袁且具有足够的模态刚度袁避免 耘悦哉 内部电子器件因共振出现松动的问题遥圆援 缘 耘悦哉 振动试验根据有限元分析的结果袁对设计加工的 耘悦哉 进行振动试验袁试验设备采用苏州东菱振动公司生产的 砸灾悦 原圆 振动控制系统遥 在进行振动试验时袁将耘悦哉 样品安装在试验台振动台面上袁耘悦哉 每个面的试验持续 圆圆 澡袁加速度幅值和频率按表 源 设定遥由振动试验可知袁耘悦哉 外壳没有出现以下削弱正常性能的变化院淤耘悦哉 电容尧变压器尧三极管等器件损坏袁插头松动尧破裂等曰于零部件损坏尧紧固件松脱现象曰盂通讯发生异常袁程序产生异常曰榆金属和塑料部件的非弹性变形遥 设计的 耘悦哉 外壳符合陨杂韵 员远苑缘园鄄员院圆园园远 定义的 悦 级要求袁如图 员园 所示遥愿猿现 代 车 用 动 力 圆园圆猿 年第 圆 期 表 源 最大加速度与频率最大加速度辕 渊皂 窑 泽原圆冤频率辕 匀扎员园园员园园员缘园员缘园圆园园圆园园圆园园圆源园员缘园圆缘缘员缘园源源园图 员园 耘悦哉 外壳及其振动试验猿 结束语葬援 本文首先对 耘悦哉 外壳进行了 孕则燥辕 耘 三维设计袁并根据 耘悦哉 下壳是否带散热槽设计了 圆 种方案袁用于在 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 热模型中进行对比分析曰通过计算 圆 种下壳模型袁可知带有散热槽的下壳比不带散热槽的下壳温度低袁有利于 孕悦月 板的散热遥遭援 本文分析了 耘悦哉 外壳的静态载荷袁对外壳的模型上产生的变形尧应力和应变进行了计算袁发现外壳的静态位移尧应变尧应力变化不显著袁最大位移只有 源援 圆缘 伊员园原猿皂皂袁符合设计要求遥糟援 本文对 耘悦哉 外壳进行了模态分析袁证明该外壳具有足够的模态刚度袁并对比了前 远 阶的各固有频率下的位移形变云图袁外壳 员 阶频率为 员 圆圆园 匀扎袁外壳振动试验要求的最大频率为 源源园 匀扎袁发动机及汽车振动频率范围为 猿猿 耀缘园 匀扎袁外壳与发动机以及汽车不会产生共振袁设计满足实际要求遥参考文献院咱员暂 胡于进袁王璋奇援 有限元分析及应用咱酝暂援 北京院清华大学出版社袁圆园园怨援咱圆暂 乔建军袁王保平袁胡仁喜袁等援 孕则燥辕 耘晕郧陨晕耘耘砸 宰蚤造凿枣蚤则藻缘援园动力学与有限元分析从入门到精通咱酝暂援 北京院机械工业出版社袁圆园员园援咱猿暂 居志兰袁花国然袁陈厚军援 基于 孕则燥辕 酝藻糟澡葬灶蚤糟葬 的活塞热结构 猿阅 有限元分析咱允暂援 小型内燃机与摩托车袁圆园员园渊远冤 院怨鄄员圆援咱源暂 宋年秀袁刘祥斌援 基于 酝杂悦鄄晕葬泽贼则葬 货车车架的有限元强度分析和模态分析咱允暂援 汽车实用技术袁圆园员猿渊猿冤院缘苑鄄远圆援咱缘暂 陈国荣袁唐绍华援 汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析咱允暂援 机械设计与制造袁圆园员园渊圆冤院源圆鄄源源援咱远暂 杨晓东袁申长雨袁赵振峰袁等援 三维实体模型到有限元板壳模型的自动转换机咱允暂援 机械工程学报袁圆园园远渊员园冤院圆员怨鄄圆圆猿援咱苑暂 郑伟刚袁刘志军袁杨宁援 汽车转向泵支架的静态和模态分析咱允暂援 机械设计与制造袁圆园员源渊远冤院员愿圆鄄员愿源援蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸蕸渊上接第 缘 页冤可以发现袁控制阀型式是共轨喷油器电磁阀尺寸和电气参数的决定性因素曰基本尺寸确定后袁时间常数是影响电磁性能的重要因素袁各大厂商电磁阀的时间常数总体都呈下降趋势遥从喷油器布置来看袁各大厂商新一代共轨喷油器电磁阀都优先采用内置尧下沉式方案袁缩短液力响应时间的同时保证喷油器匹配发动机的安装尺寸基本不变遥 另外袁与内置式方案同步的小型化趋势袁不仅降低了成本袁还有利于产品寿命的提高遥目前袁国内厂商满足欧六以上排放尧系统压力达圆缘园 酝孕葬 以上共轨喷油器电磁阀还没有量产产品袁在开发过程中可参考上述各大公司的发展趋势和采取的技术路线袁缩短开发周期并提高市场竞争力遥在控制阀方面袁要着力解决各型方案的材料和工艺难点袁如球原锥面控制阀的密封件加工精度尧压力平衡阀的密封面磨损隐患尧平面密封的压力扩散等袁结合自身的工艺特点和优势进行选型遥 在铁芯方面袁建议尽量选用整体合金软磁材料袁其加工工艺相对于粉末冶金或叠片式的结构来说难度低尧技术壁垒少遥参考文献院咱员暂 赵凯华袁陈熙谋援 电磁学渊第三版冤咱酝暂援 北京院高等教育出版社袁圆园员圆援咱圆暂 吴松袁吴潇潇袁周庭波袁等援 共轨喷油器电磁阀性能优化与试验验证咱允暂援 现代车用动力袁圆园员远渊员冤院缘源鄄缘愿援怨猿 圆园圆猿 年第 圆 期 靳越峰袁等院发动机控制单元外壳三维设计与计算分析