车辆底盘典型润滑点集中润滑系统设计

车辆底盘典型润滑点集中润滑系统设计张宇;王建平;唐冶;王浩宇【摘要】针对汽车因为各类运动件、传动件磨损等,导致汽车运行出现故障的问题,对汽车底盘集中润滑系统进行设计以及对关键部件进行校核,主要通过三维制图软件和优化分析软件进行.通过UG软件,在建模环境中完成各部件的结构设计,并将设计好的部件通过UG软件的装配功能完成整体集中润滑系统在底盘上的安装•针对主要部件的结构强度，依靠ANSYS软件对UG软件的接口进行集成分析，保证整体系统的结构合理，为润滑点集中润滑系统的设计提供一定的参考价值.期刊名称】《安徽工程大学学报》年(卷),期】2019(034)002【总页数】8页(P34-41)【关键词】单线递进式集中润滑系统;有限元分析;结构没计;结构强度校核【作者】张宇;王建平;唐冶;王浩宇【作者单位】安徽工程大学机械与汽车工程学院,安徽芜湖241000;安徽工程大学机械与汽车工程学院,安徽芜湖241000;天津大学机械工程学院,天津300072;安徽工程大学机械与汽车工程学院,安徽芜湖241000【正文语种】中文【中图分类】TH117良好的润滑是改善汽车运动的重要因素之一，如果运动部件得不到及时且适宜的润滑，必然导致汽车不能正常工作，甚至造成重大损失。有统计表明，三分之一的能源是由于摩擦损失而消耗的［1］，各种磨损造成70%的设备报废而不能使用［2］。世界范围内由于摩擦约等于每年有30亿吨的原油被白白消耗掉，在中国由于磨损每年损失几百亿元的设备材料。润滑具有降低摩擦系数、降低温度和防止腐蚀等作用调查显示，如果采取合理的润滑手段，可以减少三分之一的损失。英国有研究表明运用合理的润滑技术使每年英国至少减少了5亿英镑的损失，日本的一个研究报告在对700例机械设备故障原因统计后发现，其中有253例是由于没达到润滑要求而导致的破坏，比例高达36%以上；在国内的统计表明55%至60%的机械故障是由于润滑不到位而发生的。磨损的减少从根本上需要依靠润滑技术。在机械设备上采用合理润滑技术不仅使机器摩擦副间的摩擦磨损下降，而且可以带走摩擦副间的杂屑和热量，产生清洁和降温的作用［3］，同时摩擦副表面的油膜保护减小了腐蚀的危害，延长了机械设备的使用寿命［4］。润滑使机器运行过程中能源和材料消耗降低，运行安全和寿命得到保障。因此人们越来越重视润滑技术及设备的研究发展与运用，未来润滑设备朝着节能环保、高效低耗、简便多用途方向发展，应用范围越来越广阔。我国现阶段润滑设备的使用与发展并不乐观，一是润滑设备的自动化程度并不高，二是设备的机械结构还存在很大的改进空间，甚至很多地方还在使用手动人工润滑，而且很多的工厂在生产过程中并不重视机械设备的润滑保养，只是大力发展生产，这就很容易产生机械设备故障，造成整个生产线的停工，往往得不偿失。不过在进行润滑时润滑油的量不是越多越好，过多的润滑油会产生附加的热量，产生浪费［5］。为了满足汽车可以进行长距离的行驶且保证安全性，除了要保证汽车制造的质量，使用中进行适宜的润滑也是必不可少的。车辆底盘集中润滑系统可以完成定时定量的自动化的润滑。因此，车辆底盘集中润滑系统的研究越来越受到重视。近些年国内企业也开始相继地研究各类车辆底盘集中润滑系统，国内厂家研制的系统结构简单，成本较低，但是在使用中也存在着一些不足，例如，润滑脂泵输出压力低，只适用于低稠度的油脂，容易流失，自吸能力差从而增加了成本。只能使用低粘稠度的润滑脂，且在低温环境无法正常使用［6］。油泵主机机械式卸压容易造成泄压不畅而卡死，导致系统供油异常。许多系统采用下置式油箱布置方式，这样会使油箱底部容易有油脂沉积固化变质。与此同时，由于结构存在问题，使得润系效率较低，各部件容易受到磨损而失效。因此，对于车辆底盘润滑系统的研究显得十分有必要，主要研究内容如下：①完成车辆底盘集中润滑方案设计。集中润滑系统主要的部件决定了整体系统的性质，所以要对整体系统的布置方法参考已有研究结果进行选择，从而满足整体系统的性能要求。且要完成润滑脂的选择，各润滑点耗油量、润滑脂的压力损失及润滑脂在管路中停留时间的计算，以确保整体系统的正常工作。②完成主要元件选择及参数计算。基于前面完成的集中润滑系统方法，对系统中的主要元件如润滑脂泵、分配器、管路等进行选型。通过完成对主要部件的选型，大致确定整体系统的属性。③完成集中润滑安装方案及结构设计。从车辆底盘集中润滑系统在底盘上的安装准则出发，通过UG软件的三维建模能力，将上一步中完成选型的部件在建模环境中进行三维建模，并通过UG软件的装配功能完成车辆底盘集中润滑系统整体的装配图。系统的整体尺寸按照选型时所选的已有部件的尺寸进行建模，底盘则参考教材上的一般轿车底盘的尺寸。④集中润滑系统安装结构强度校核。结构强度校核经常使用有限元方法进行分析，通过ANSYS软件与UG软件的接口，将在UG软件中建立的三维模型导入ANSYS中进行有限元分析，可得出主要部件在受力时的结构强度是否符合标准，并可对整体系统进行优化改进。车辆底盘集中润滑方案设计1.1确定整体系统方案汽车底盘集中润滑系统的技术特性主要取决于润滑脂泵和分配器的技术性能和组合配置，选用不同的部件，采用不同的布置方式会构成不同的汽车底盘集中润滑系统汽车底盘集中润滑系统主要由润滑脂泵、分配器、控制单元、检测单元结构组成。这些部件组合在一起构成了汽车底盘集中润滑系统的整体。比如根据循环润滑方式的不同，汽车底盘集中润滑系统可以分为节流式、单线式、双线式、多线式、节流式、递进式等类型［7］；根据系统分配元件的不同，可以分为抵抗式润滑系统、递进式润滑系统、容积式润滑系统、油气润滑系统［8］。经过考虑后，选用了单线式车辆底盘集中润滑系统作为设计内容，如图1所示。图1单线式车辆底盘集中润滑系统选用单线式车辆底盘集中润滑系统所考虑到的因素有：单线式从构成上看是单管路保压送油，能够消除双线式换向卸压过程中的功率浪费。单线式系统配管简单，结构紧凑，适合用于轿车底盘。单线式集中润滑系统中带有多种自控保护元件［9］，系统自动化程度高。1.2确定润滑点耗油量不同润滑点所需要的润滑剂量可由经验公式计算［10］，考虑到设计内容是轿车轮毂处的润滑，所以润滑点选择为轮毂处的滚动轴承。其经验公式为：(1)式中，Q为润滑点每小时所需的润滑脂数量(cm3/h),d为轴的直径(mm),i为滚动轴承滚动体列数。各润滑点的工况一般不同，在汽车行驶中可能会受到灰尘、发热、水等影响，计算时可以乘上环境系数1.5。一般汽车轮毂处安装的轴承直径在100mm左右，取d=100mm。滚动体列数取3，可得每小时所需润滑脂数量Q=1.8cm3/h。1.3确定压力损失现阶段压力损失一般通过在一定条件下的实验所得，在实际的使用过程中需要进行修正。具体数字如表1，表2所示。表1主管路压力损失MPa/m公称直径/mm公称流量/mL・min-1公称流量ml•循环-16003002001003.5710---0.320.330.4115--0.260.220.290.254表2润滑管路压力损失MPa/m公称直径/mm1#润滑脂0#润滑脂最大配管长度40.60.35460.320.2780.210.1410分配器的压力损失与分配器的型号油管，一般按1~1.5MPa考虑。1.4检查确定润滑脂在管内的停留时间在集中润滑系统中，油是从油泵一级一级地输送至润滑点。为了防止润滑脂固化沉积，堵塞管路，应考虑油脂在管内的平均停留时间。主管路的润滑脂滞留时间按照经验公式：(2)式中,t为实际工作时间；Q》为系统中所有管道的总容量(mL);Qa为油泵工作一个周期各润滑点的消耗量(mL/次)；W为每小时工作次数。若计算结果较大，可以考虑将整个系统分为多个子系统。近似取值W=3,Qa=7.2,QZ«100o由计算结果可知，无需将整个润滑系统分为多个子系统。首先，按照系统布置以及对工作压力、流量的要求，选取了一款25SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵以满足系统的要求。接着，考虑到整体系统的技术特性及他人经验，选取了递进式定量分配器与润滑脂泵配合，其中主分配器型号为KL,其最高压力为21Mpa,子分配器选用型号为KJ的分配器，其最高压力为14Mpa，并通过经验公式算出该主分配器每小时的循环次数为3次。然后，进行润滑管路的选型，参考经验数据，主管路可以选用外径为14mm，壁厚为2.0mm的钢管，而润滑管路可以选择外径14mm，壁厚2.0mm的铜管，并可以确定整体管路的压力损失对系统影响较小。最后，确定连接方式，主管路为焊接式连接，润滑管路为铜管式接头。各部件的三维建模由于设计内容为轿车轮毂的集中润滑，安装将会围绕前后轮4个轮毂处的润滑点进行。车辆底盘集中润滑系统的安装方案主要包括油箱、润滑脂泵、主分配器、子分配器、管路的布置，这些内容会在UG软件中进行。2.1润滑脂泵建模图2润滑脂泵实体模型首先完成润滑脂泵的建模，结构尺寸参考25SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵的数据，公称排量为25mL/转，变量形式为手动变量，压力为31.5Mpa，缸体转动式的轴向柱塞泵。主要尺寸有进口管道为34mm*34mm，出口管道为28mm*20mm。泵总长为362mm，柱塞长134mm，缸体长263mm,直径150mm，传动轴长246mm,直径30mm。使用材料为铸铁。使用UG软件建立的实体模型如图2所示。分配器建模使用UG软件进行主分配器和子分配器的建模，已选用递进式分配器，故参考已有的递进式分配器数据完成建模，其中主分配器出油口个数为8个，直径20mm，组合片数为4个，高度为64mm，材质为铸铁，质量1.2kg。子分配器出油口个数为4个，直径20mm，组合片数为3个，高度为48mm，材料为铸铁，质量为0.91kg。建立的三维模型如图3、图4所示。图3主分配器三维模型图4子分配器三维模型油箱建模按照系统要求，选用开式油箱，油箱设计主要考虑其基本结构，吸、回、泄油管的设置，空气滤清器的设置，防污密封。油箱基本结构选择立方体，壁厚为4mm，顶盖通过焊接固定，吸油管和回油管分设在两边，空气滤清器为标准件，查阅资料后选取EF1-25空气滤清器，其空气流量为65L/min,过滤面积为80cm2,直径39mm，过滤精度为0.279mm。建立的三维模型如图5所示。底盘建模汽车底盘的尺寸数据参考汽车设计教材，前后轴间距为3000mm,前轴距1400mm，后轴距1600mm，轮胎直径350mm，左右轮距1500mm。建立的三维模型如图6所示。图5油箱三维模型图6底盘三维模型车辆底盘集中润滑系统整体的建模在完成了各部件的建模之后，开始进行车辆底盘集中润滑系统的整体设计。该部分使用UG软件的装配完成。该部分的主要内容是通过各个管路将润滑脂泵、主分配器、子分配器、油箱等部件连接起来，构成一个整体的系统，所以管路的建模非常重要。同时管路的建模也是车辆底盘集中润滑系统建模过程中的一个难点，因为润滑管路在UG的建模方式并不是很成熟，特别是在装配环境中直接进行管路的设计[11]。布置弯管是管路建模的核心，在此要特别注意弯管半径R的选取，在前面的设计中选用的润滑管路为铜管，参考网上资料，推荐弯折半径要＞30mm，这样建模可以保证弯折之后管路的通畅，不会出现堵死管路的现象。首先确定管路数量，从油箱到油泵，从油泵到主分配器两处作为主管路，使用外径为14mm，壁厚为2.0mm的钢管；从主分配器到子分配器，从子分配器到轮毂处润滑点的4处使用外径14mm，壁厚2.0mm的铜管。在确定了管路模型的数量和直径后，还要大致确定管路长度。在完成其他部件的大体布置后，主分配器至子分配器的润滑管路长1.5m和0.72m。油泵至主分配器的主管路长0.35m。经过建模后车辆底盘集中润滑系统的三维模型图如图7所示。至此车辆底盘集中润滑系统的结构设计已经完成，但是设计的系统的结构稳定性如何还未经过校核，所以接下来还需对系统进行校核以保证该车辆底盘集中润滑系统可在各工况下正常工作，不发生故障。有限元分析3.1安装结构强度的理念车辆底盘集中润滑系统的安装结构强度主要就是考虑润滑脂泵以及各个分配器等主要部件的安装结构强度，其中主要研究目标就是润滑脂泵和分配器的安装结构强度结构强度的校核一般使用有限元分析的方法完成静力学的分析。3.2集成使用UG软件和ANSYS软件完成结构强度分析打开ANSYSWorkbench,打开工具栏中的StaticStructural（静态结构分析）。选择A3栏Geometry将UG中完成的模型导入ANSYS，再选择A2栏EngineeringData确定材料属性，润滑脂泵的制造材料为铸铁。先在EngineeringDataSources中选中GeneralMaterials,在下方的OutlineofGeneralMaterials表中添加GrayCastIron（灰铸铁）作为可使用的材料属性。然后回到初始界面，打开模型。首先选中Geometry选项下的model,将刚刚选择的GrayCastIron（灰铸铁）作为它的材料，然后划分网格，网格大小为0.005m，如图8所示。图7集中润滑系统三维模型图8添加网格然后添加环境变量，首先选择StaticStructural,这样就会出现Environment工具栏。选择Environment中的Supports中的FixedSupport创建固定约束。再选择Loads中的Forces对整体施加力载荷，首先考虑前后方向，在急刹车和快速起步时整车加速度最大，考虑到润滑脂泵自身重量，设置前后方向的力为600N。完成了环境变量的设置后，点击Solution进行求解，可获得润滑脂泵的应力、应变形变分布云图a如图9、图10、图11所示。根据应力云图可知最大应力为0.27MPa，未达到铸铁的强度极限，所以润滑脂泵水平方向的安装结构强度足够。完成水平方向的校核，再进行垂直方向的校核。根据前面的步骤，令泵垂直方向受力为1000N，得到应力、应变、形变分析云图b如图12所示、图13所示、图14所示。根据应力云图可知最大应力为0.6MPa，未达到铸铁的强度极限，所以润滑脂泵垂直方向的结构强度足够。再进行侧向的校核，令泵受侧向力为600N，可得应力、应变、总形变的云图c如图15、图16、图17所示。根据应力云图可知侧向的最大应力为0.171MPa，未达到铸铁的强度极限，润滑脂泵侧向强度足够。完成了润滑脂泵的结构强度的校核后，还需进行分配器的结构强度校核，考虑到主分配器所受力更大，故对主分配器进行分析。同样的添加材料，划分网格，添加固定约束，令分配器前后方向受力500N，然后进行求解，得到水平方向应力、应变、总形变云图d如图18、图19、图20所示。可知分配器水平方向最大应力为0.36MPa，分配器水平方向结构强度足够。再对垂直方向进行分析，令垂直方向受力700N，得到应力、应变和总形变云图e如图21、图22、图23所示。由图可知配器垂直方向最大应力为0.25MPa，分配器垂直方向结构强度足够。最后对侧向进行分析，令分配器受侧向力为600N，得到应力、应变及总形变云图f如图24、图25、图26所示。图9应力云图a图10应变云图a图11形变云图a图12应力云图b图13应变云图b图14形变云图b图15应力云图c图16应变云图c图17形变云图c图18应力云图d图19应变云图d图20形变云图d图21应力云图e图22应变云图e图23形变云图e图24应力云图f图25应变云图f图26形变云图f由图可知分配器侧向的最大应力为0.346MPa，未达到铸铁的强度极限，分配器侧向的结构强度足够。通过UG软件和ANSYS软件的集成使用，完成了润滑脂泵和分配器各个方向受力时的结构强度分析。分析结果表明润滑脂泵和分配器在汽车一定行驶工况下例如上下颠簸，急减速急加速或是侧向滑动等等，其结构强度均满足要求。在ANSYS软件中通过有限元方法对主要部件如润滑脂泵、分配器进行有限元分析，确定其结构强度。分析主要从部件的受力出发，先设置好各个部件材料属性，然后考虑到车辆的各种行驶工况如急加速、急刹车、上下颠簸、左右侧滑，分别对部件加上不同的载荷和约束，求解出结果，并令其以应力、应变、总形变云图形式直观地表现出来。在得到云图后可以查阅资料，得到材料的强度极限，并与云图中最大应力处的应力作比较，然后就可知到部件的结构强度是否满足要求。经过对润滑脂泵和分配器的分析可知，它们的结构强度均符合要求，至此车辆底盘集中润滑系统的结构强度校核完成，该系统符合设计要求。4结论从集中润滑系统的组成部件出发，通过对不同组成类型的集中润滑系统进行比对，包括单线式和双线式集中润滑系统组成部件的对比，系统结构特点的对比，系统工作特点的对比，确定了单线式集中润滑系统作为设计内容。通过查阅资料并从集中润滑系统实际要求出发，选择了一款手动变量柱塞泵来满足系统输出压力的要求，出于配合的考虑选用了一款递进式分配器。通过分别建立各个部件的三维模型，之后再通过UG软件的装配功能来进行整体的结构设计。各个部件的布置有一定要求，管路的布置要求则更多。在仔细研究之后完成了各条管路的建模，从而完成整个系统的结构设计。系统的结构强度校核是从主要部件的结构强度出发，也就是考虑润滑脂泵和分配器的结构强度，使用UG和ANSYS软件，将模型直接用于分析。通过有限元分析的思想对润滑脂泵的分配器的三维模型进行了应力、应变和形变分析，结果不仅保证了其结构强度能满足汽车各类行驶工况下的受力，而且提高了细润系统的可靠性。参考文献：【相关文献】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