車輛底盤典型潤滑點集中潤滑系統(tǒng)設(shè)計

車輛底盤典型潤滑點集中潤滑系統(tǒng)設(shè)計張宇;王建平;唐冶;王浩宇【摘要】針對汽車因為各類運動件、傳動件磨損等,導致汽車運行出現(xiàn)故障的問題,對汽車底盤集中潤滑系統(tǒng)進行設(shè)計以及對關(guān)鍵部件進行校核,主要通過三維制圖軟件和優(yōu)化分析軟件進行.通過UG軟件,在建模環(huán)境中完成各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計,并將設(shè)計好的部件通過UG軟件的裝配功能完成整體集中潤滑系統(tǒng)在底盤上的安裝?針對主要部件的結(jié)構(gòu)強度，依靠ANSYS軟件對UG軟件的接口進行集成分析，保證整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理，為潤滑點集中潤滑系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的參考價值.期刊名稱】《安徽工程大學學報》年(卷),期】2019(034)002【總頁數(shù)】8頁(P34-41)【關(guān)鍵詞】單線遞進式集中潤滑系統(tǒng);有限元分析;結(jié)構(gòu)沒計;結(jié)構(gòu)強度校核【作者】張宇;王建平;唐冶;王浩宇【作者單位】安徽工程大學機械與汽車工程學院,安徽蕪湖241000;安徽工程大學機械與汽車工程學院,安徽蕪湖241000;天津大學機械工程學院,天津300072;安徽工程大學機械與汽車工程學院,安徽蕪湖241000【正文語種】中文【中圖分類】TH117良好的潤滑是改善汽車運動的重要因素之一，如果運動部件得不到及時且適宜的潤滑，必然導致汽車不能正常工作，甚至造成重大損失。有統(tǒng)計表明，三分之一的能源是由于摩擦損失而消耗的［1］，各種磨損造成70%的設(shè)備報廢而不能使用［2］。世界范圍內(nèi)由于摩擦約等于每年有30億噸的原油被白白消耗掉，在中國由于磨損每年損失幾百億元的設(shè)備材料。潤滑具有降低摩擦系數(shù)、降低溫度和防止腐蝕等作用調(diào)查顯示，如果采取合理的潤滑手段，可以減少三分之一的損失。英國有研究表明運用合理的潤滑技術(shù)使每年英國至少減少了5億英鎊的損失，日本的一個研究報告在對700例機械設(shè)備故障原因統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，其中有253例是由于沒達到潤滑要求而導致的破壞，比例高達36%以上；在國內(nèi)的統(tǒng)計表明55%至60%的機械故障是由于潤滑不到位而發(fā)生的。磨損的減少從根本上需要依靠潤滑技術(shù)。在機械設(shè)備上采用合理潤滑技術(shù)不僅使機器摩擦副間的摩擦磨損下降，而且可以帶走摩擦副間的雜屑和熱量，產(chǎn)生清潔和降溫的作用［3］，同時摩擦副表面的油膜保護減小了腐蝕的危害，延長了機械設(shè)備的使用壽命［4］。潤滑使機器運行過程中能源和材料消耗降低，運行安全和壽命得到保障。因此人們越來越重視潤滑技術(shù)及設(shè)備的研究發(fā)展與運用，未來潤滑設(shè)備朝著節(jié)能環(huán)保、高效低耗、簡便多用途方向發(fā)展，應用范圍越來越廣闊。我國現(xiàn)階段潤滑設(shè)備的使用與發(fā)展并不樂觀，一是潤滑設(shè)備的自動化程度并不高，二是設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)還存在很大的改進空間，甚至很多地方還在使用手動人工潤滑，而且很多的工廠在生產(chǎn)過程中并不重視機械設(shè)備的潤滑保養(yǎng)，只是大力發(fā)展生產(chǎn)，這就很容易產(chǎn)生機械設(shè)備故障，造成整個生產(chǎn)線的停工，往往得不償失。不過在進行潤滑時潤滑油的量不是越多越好，過多的潤滑油會產(chǎn)生附加的熱量，產(chǎn)生浪費［5］。為了滿足汽車可以進行長距離的行駛且保證安全性，除了要保證汽車制造的質(zhì)量，使用中進行適宜的潤滑也是必不可少的。車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)可以完成定時定量的自動化的潤滑。因此，車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的研究越來越受到重視。近些年國內(nèi)企業(yè)也開始相繼地研究各類車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)，國內(nèi)廠家研制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但是在使用中也存在著一些不足，例如，潤滑脂泵輸出壓力低，只適用于低稠度的油脂，容易流失，自吸能力差從而增加了成本。只能使用低粘稠度的潤滑脂，且在低溫環(huán)境無法正常使用［6］。油泵主機機械式卸壓容易造成泄壓不暢而卡死，導致系統(tǒng)供油異常。許多系統(tǒng)采用下置式油箱布置方式，這樣會使油箱底部容易有油脂沉積固化變質(zhì)。與此同時，由于結(jié)構(gòu)存在問題，使得潤系效率較低，各部件容易受到磨損而失效。因此，對于車輛底盤潤滑系統(tǒng)的研究顯得十分有必要，主要研究內(nèi)容如下：①完成車輛底盤集中潤滑方案設(shè)計。集中潤滑系統(tǒng)主要的部件決定了整體系統(tǒng)的性質(zhì)，所以要對整體系統(tǒng)的布置方法參考已有研究結(jié)果進行選擇，從而滿足整體系統(tǒng)的性能要求。且要完成潤滑脂的選擇，各潤滑點耗油量、潤滑脂的壓力損失及潤滑脂在管路中停留時間的計算，以確保整體系統(tǒng)的正常工作。②完成主要元件選擇及參數(shù)計算。基于前面完成的集中潤滑系統(tǒng)方法，對系統(tǒng)中的主要元件如潤滑脂泵、分配器、管路等進行選型。通過完成對主要部件的選型，大致確定整體系統(tǒng)的屬性。③完成集中潤滑安裝方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計。從車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)在底盤上的安裝準則出發(fā)，通過UG軟件的三維建模能力，將上一步中完成選型的部件在建模環(huán)境中進行三維建模，并通過UG軟件的裝配功能完成車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)整體的裝配圖。系統(tǒng)的整體尺寸按照選型時所選的已有部件的尺寸進行建模，底盤則參考教材上的一般轎車底盤的尺寸。④集中潤滑系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)強度校核。結(jié)構(gòu)強度校核經(jīng)常使用有限元方法進行分析，通過ANSYS軟件與UG軟件的接口，將在UG軟件中建立的三維模型導入ANSYS中進行有限元分析，可得出主要部件在受力時的結(jié)構(gòu)強度是否符合標準，并可對整體系統(tǒng)進行優(yōu)化改進。車輛底盤集中潤滑方案設(shè)計1.1確定整體系統(tǒng)方案汽車底盤集中潤滑系統(tǒng)的技術(shù)特性主要取決于潤滑脂泵和分配器的技術(shù)性能和組合配置，選用不同的部件，采用不同的布置方式會構(gòu)成不同的汽車底盤集中潤滑系統(tǒng)汽車底盤集中潤滑系統(tǒng)主要由潤滑脂泵、分配器、控制單元、檢測單元結(jié)構(gòu)組成。這些部件組合在一起構(gòu)成了汽車底盤集中潤滑系統(tǒng)的整體。比如根據(jù)循環(huán)潤滑方式的不同，汽車底盤集中潤滑系統(tǒng)可以分為節(jié)流式、單線式、雙線式、多線式、節(jié)流式、遞進式等類型［7］；根據(jù)系統(tǒng)分配元件的不同，可以分為抵抗式潤滑系統(tǒng)、遞進式潤滑系統(tǒng)、容積式潤滑系統(tǒng)、油氣潤滑系統(tǒng)［8］。經(jīng)過考慮后，選用了單線式車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)作為設(shè)計內(nèi)容，如圖1所示。圖1單線式車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)選用單線式車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)所考慮到的因素有：單線式從構(gòu)成上看是單管路保壓送油，能夠消除雙線式換向卸壓過程中的功率浪費。單線式系統(tǒng)配管簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，適合用于轎車底盤。單線式集中潤滑系統(tǒng)中帶有多種自控保護元件［9］，系統(tǒng)自動化程度高。1.2確定潤滑點耗油量不同潤滑點所需要的潤滑劑量可由經(jīng)驗公式計算［10］，考慮到設(shè)計內(nèi)容是轎車輪轂處的潤滑，所以潤滑點選擇為輪轂處的滾動軸承。其經(jīng)驗公式為：(1)式中，Q為潤滑點每小時所需的潤滑脂數(shù)量(cm3/h),d為軸的直徑(mm),i為滾動軸承滾動體列數(shù)。各潤滑點的工況一般不同，在汽車行駛中可能會受到灰塵、發(fā)熱、水等影響，計算時可以乘上環(huán)境系數(shù)1.5。一般汽車輪轂處安裝的軸承直徑在100mm左右，取d=100mm。滾動體列數(shù)取3，可得每小時所需潤滑脂數(shù)量Q=1.8cm3/h。1.3確定壓力損失現(xiàn)階段壓力損失一般通過在一定條件下的實驗所得，在實際的使用過程中需要進行修正。具體數(shù)字如表1，表2所示。表1主管路壓力損失MPa/m公稱直徑/mm公稱流量/mL?min-1公稱流量ml?循環(huán)-16003002001003.5710---0.320.330.4115--0.260.220.290.254表2潤滑管路壓力損失MPa/m公稱直徑/mm1#潤滑脂0#潤滑脂最大配管長度40.60.35460.320.2780.210.1410分配器的壓力損失與分配器的型號油管，一般按1~1.5MPa考慮。1.4檢查確定潤滑脂在管內(nèi)的停留時間在集中潤滑系統(tǒng)中，油是從油泵一級一級地輸送至潤滑點。為了防止?jié)櫥袒练e，堵塞管路，應考慮油脂在管內(nèi)的平均停留時間。主管路的潤滑脂滯留時間按照經(jīng)驗公式：(2)式中,t為實際工作時間；Q》為系統(tǒng)中所有管道的總?cè)萘?mL);Qa為油泵工作一個周期各潤滑點的消耗量(mL/次)；W為每小時工作次數(shù)。若計算結(jié)果較大，可以考慮將整個系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)。近似取值W=3,Qa=7.2,QZ?100o由計算結(jié)果可知，無需將整個潤滑系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)。首先，按照系統(tǒng)布置以及對工作壓力、流量的要求，選取了一款25SCY14-1B手動變量軸向柱塞泵以滿足系統(tǒng)的要求。接著，考慮到整體系統(tǒng)的技術(shù)特性及他人經(jīng)驗，選取了遞進式定量分配器與潤滑脂泵配合，其中主分配器型號為KL,其最高壓力為21Mpa,子分配器選用型號為KJ的分配器，其最高壓力為14Mpa，并通過經(jīng)驗公式算出該主分配器每小時的循環(huán)次數(shù)為3次。然后，進行潤滑管路的選型，參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)，主管路可以選用外徑為14mm，壁厚為2.0mm的鋼管，而潤滑管路可以選擇外徑14mm，壁厚2.0mm的銅管，并可以確定整體管路的壓力損失對系統(tǒng)影響較小。最后，確定連接方式，主管路為焊接式連接，潤滑管路為銅管式接頭。各部件的三維建模由于設(shè)計內(nèi)容為轎車輪轂的集中潤滑，安裝將會圍繞前后輪4個輪轂處的潤滑點進行。車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的安裝方案主要包括油箱、潤滑脂泵、主分配器、子分配器、管路的布置，這些內(nèi)容會在UG軟件中進行。2.1潤滑脂泵建模圖2潤滑脂泵實體模型首先完成潤滑脂泵的建模，結(jié)構(gòu)尺寸參考25SCY14-1B手動變量軸向柱塞泵的數(shù)據(jù)，公稱排量為25mL/轉(zhuǎn)，變量形式為手動變量，壓力為31.5Mpa，缸體轉(zhuǎn)動式的軸向柱塞泵。主要尺寸有進口管道為34mm*34mm，出口管道為28mm*20mm。泵總長為362mm，柱塞長134mm，缸體長263mm,直徑150mm，傳動軸長246mm,直徑30mm。使用材料為鑄鐵。使用UG軟件建立的實體模型如圖2所示。分配器建模使用UG軟件進行主分配器和子分配器的建模，已選用遞進式分配器，故參考已有的遞進式分配器數(shù)據(jù)完成建模，其中主分配器出油口個數(shù)為8個，直徑20mm，組合片數(shù)為4個，高度為64mm，材質(zhì)為鑄鐵，質(zhì)量1.2kg。子分配器出油口個數(shù)為4個，直徑20mm，組合片數(shù)為3個，高度為48mm，材料為鑄鐵，質(zhì)量為0.91kg。建立的三維模型如圖3、圖4所示。圖3主分配器三維模型圖4子分配器三維模型油箱建模按照系統(tǒng)要求，選用開式油箱，油箱設(shè)計主要考慮其基本結(jié)構(gòu)，吸、回、泄油管的設(shè)置，空氣濾清器的設(shè)置，防污密封。油箱基本結(jié)構(gòu)選擇立方體，壁厚為4mm，頂蓋通過焊接固定，吸油管和回油管分設(shè)在兩邊，空氣濾清器為標準件，查閱資料后選取EF1-25空氣濾清器，其空氣流量為65L/min,過濾面積為80cm2,直徑39mm，過濾精度為0.279mm。建立的三維模型如圖5所示。底盤建模汽車底盤的尺寸數(shù)據(jù)參考汽車設(shè)計教材，前后軸間距為3000mm,前軸距1400mm，后軸距1600mm，輪胎直徑350mm，左右輪距1500mm。建立的三維模型如圖6所示。圖5油箱三維模型圖6底盤三維模型車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)整體的建模在完成了各部件的建模之后，開始進行車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的整體設(shè)計。該部分使用UG軟件的裝配完成。該部分的主要內(nèi)容是通過各個管路將潤滑脂泵、主分配器、子分配器、油箱等部件連接起來，構(gòu)成一個整體的系統(tǒng)，所以管路的建模非常重要。同時管路的建模也是車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)建模過程中的一個難點，因為潤滑管路在UG的建模方式并不是很成熟，特別是在裝配環(huán)境中直接進行管路的設(shè)計[11]。布置彎管是管路建模的核心，在此要特別注意彎管半徑R的選取，在前面的設(shè)計中選用的潤滑管路為銅管，參考網(wǎng)上資料，推薦彎折半徑要＞30mm，這樣建?？梢员ＷC彎折之后管路的通暢，不會出現(xiàn)堵死管路的現(xiàn)象。首先確定管路數(shù)量，從油箱到油泵，從油泵到主分配器兩處作為主管路，使用外徑為14mm，壁厚為2.0mm的鋼管；從主分配器到子分配器，從子分配器到輪轂處潤滑點的4處使用外徑14mm，壁厚2.0mm的銅管。在確定了管路模型的數(shù)量和直徑后，還要大致確定管路長度。在完成其他部件的大體布置后，主分配器至子分配器的潤滑管路長1.5m和0.72m。油泵至主分配器的主管路長0.35m。經(jīng)過建模后車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的三維模型圖如圖7所示。至此車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)完成，但是設(shè)計的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性如何還未經(jīng)過校核，所以接下來還需對系統(tǒng)進行校核以保證該車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)可在各工況下正常工作，不發(fā)生故障。有限元分析3.1安裝結(jié)構(gòu)強度的理念車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)強度主要就是考慮潤滑脂泵以及各個分配器等主要部件的安裝結(jié)構(gòu)強度，其中主要研究目標就是潤滑脂泵和分配器的安裝結(jié)構(gòu)強度結(jié)構(gòu)強度的校核一般使用有限元分析的方法完成靜力學的分析。3.2集成使用UG軟件和ANSYS軟件完成結(jié)構(gòu)強度分析打開ANSYSWorkbench,打開工具欄中的StaticStructural（靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析）。選擇A3欄Geometry將UG中完成的模型導入ANSYS，再選擇A2欄EngineeringData確定材料屬性，潤滑脂泵的制造材料為鑄鐵。先在EngineeringDataSources中選中GeneralMaterials,在下方的OutlineofGeneralMaterials表中添加GrayCastIron（灰鑄鐵）作為可使用的材料屬性。然后回到初始界面，打開模型。首先選中Geometry選項下的model,將剛剛選擇的GrayCastIron（灰鑄鐵）作為它的材料，然后劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為0.005m，如圖8所示。圖7集中潤滑系統(tǒng)三維模型圖8添加網(wǎng)格然后添加環(huán)境變量，首先選擇StaticStructural,這樣就會出現(xiàn)Environment工具欄。選擇Environment中的Supports中的FixedSupport創(chuàng)建固定約束。再選擇Loads中的Forces對整體施加力載荷，首先考慮前后方向，在急剎車和快速起步時整車加速度最大，考慮到潤滑脂泵自身重量，設(shè)置前后方向的力為600N。完成了環(huán)境變量的設(shè)置后，點擊Solution進行求解，可獲得潤滑脂泵的應力、應變形變分布云圖a如圖9、圖10、圖11所示。根據(jù)應力云圖可知最大應力為0.27MPa，未達到鑄鐵的強度極限，所以潤滑脂泵水平方向的安裝結(jié)構(gòu)強度足夠。完成水平方向的校核，再進行垂直方向的校核。根據(jù)前面的步驟，令泵垂直方向受力為1000N，得到應力、應變、形變分析云圖b如圖12所示、圖13所示、圖14所示。根據(jù)應力云圖可知最大應力為0.6MPa，未達到鑄鐵的強度極限，所以潤滑脂泵垂直方向的結(jié)構(gòu)強度足夠。再進行側(cè)向的校核，令泵受側(cè)向力為600N，可得應力、應變、總形變的云圖c如圖15、圖16、圖17所示。根據(jù)應力云圖可知側(cè)向的最大應力為0.171MPa，未達到鑄鐵的強度極限，潤滑脂泵側(cè)向強度足夠。完成了潤滑脂泵的結(jié)構(gòu)強度的校核后，還需進行分配器的結(jié)構(gòu)強度校核，考慮到主分配器所受力更大，故對主分配器進行分析。同樣的添加材料，劃分網(wǎng)格，添加固定約束，令分配器前后方向受力500N，然后進行求解，得到水平方向應力、應變、總形變云圖d如圖18、圖19、圖20所示?？芍峙淦魉椒较蜃畲髴?.36MPa，分配器水平方向結(jié)構(gòu)強度足夠。再對垂直方向進行分析，令垂直方向受力700N，得到應力、應變和總形變云圖e如圖21、圖22、圖23所示。由圖可知配器垂直方向最大應力為0.25MPa，分配器垂直方向結(jié)構(gòu)強度足夠。最后對側(cè)向進行分析，令分配器受側(cè)向力為600N，得到應力、應變及總形變云圖f如圖24、圖25、圖26所示。圖9應力云圖a圖10應變云圖a圖11形變云圖a圖12應力云圖b圖13應變云圖b圖14形變云圖b圖15應力云圖c圖16應變云圖c圖17形變云圖c圖18應力云圖d圖19應變云圖d圖20形變云圖d圖21應力云圖e圖22應變云圖e圖23形變云圖e圖24應力云圖f圖25應變云圖f圖26形變云圖f由圖可知分配器側(cè)向的最大應力為0.346MPa，未達到鑄鐵的強度極限，分配器側(cè)向的結(jié)構(gòu)強度足夠。通過UG軟件和ANSYS軟件的集成使用，完成了潤滑脂泵和分配器各個方向受力時的結(jié)構(gòu)強度分析。分析結(jié)果表明潤滑脂泵和分配器在汽車一定行駛工況下例如上下顛簸，急減速急加速或是側(cè)向滑動等等，其結(jié)構(gòu)強度均滿足要求。在ANSYS軟件中通過有限元方法對主要部件如潤滑脂泵、分配器進行有限元分析，確定其結(jié)構(gòu)強度。分析主要從部件的受力出發(fā)，先設(shè)置好各個部件材料屬性，然后考慮到車輛的各種行駛工況如急加速、急剎車、上下顛簸、左右側(cè)滑，分別對部件加上不同的載荷和約束，求解出結(jié)果，并令其以應力、應變、總形變云圖形式直觀地表現(xiàn)出來。在得到云圖后可以查閱資料，得到材料的強度極限，并與云圖中最大應力處的應力作比較，然后就可知到部件的結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求。經(jīng)過對潤滑脂泵和分配器的分析可知，它們的結(jié)構(gòu)強度均符合要求，至此車輛底盤集中潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度校核完成，該系統(tǒng)符合設(shè)計要求。4結(jié)論從集中潤滑系統(tǒng)的組成部件出發(fā)，通過對不同組成類型的集中潤滑系統(tǒng)進行比對，包括單線式和雙線式集中潤滑系統(tǒng)組成部件的對比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點的對比，系統(tǒng)工作特點的對比，確定了單線式集中潤滑系統(tǒng)作為設(shè)計內(nèi)容。通過查閱資料并從集中潤滑系統(tǒng)實際要求出發(fā)，選擇了一款手動變量柱塞泵來滿足系統(tǒng)輸出壓力的要求，出于配合的考慮選用了一款遞進式分配器。通過分別建立各個部件的三維模型，之后再通過UG軟件的裝配功能來進行整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。各個部件的布置有一定要求，管路的布置要求則更多。在仔細研究之后完成了各條管路的建模，從而完成整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度校核是從主要部件的結(jié)構(gòu)強度出發(fā)，也就是考慮潤滑脂泵和分配器的結(jié)構(gòu)強度，使用UG和ANSYS軟件，將模型直接用于分析。通過有限元分析的思想對潤滑脂泵的分配器的三維模型進行了應力、應變和形變分析，結(jié)果不僅保證了其結(jié)構(gòu)強度能滿足汽車各類行駛工況下的受力，而且提高了細潤系統(tǒng)的可靠性。參考文獻：【相關(guān)文獻】BRUCELTAI,DAVIDASTEPHENSON,RICHARDJFURNESS,etal.Minimunquantitylubrication(MQL)inautomotivepowertrainmachining[J].ProcediaCIRP,2014，14(33):523-528.EWAROSTEK,MACIEJBABIAK,EMILWRBLEWSKI.Theinfluenceofoilpressureintheenginelubricationsystemonfrictionlosses[J].ProcediaEngineering,2017，192:771-776.MTAUVIQIRRAHMAN,RISMAIL,JJA