王天成

沈陽航天三菱汽車發(fā)動機制造有限公司，遼寧沈陽 110179)

0 引言

汽車發(fā)動機用隔熱罩主要分為3種：安裝在增壓器上的增壓器隔熱罩、安裝在排氣歧管上的排氣歧管隔熱罩和安裝在氣缸蓋罩上的氣缸蓋罩隔熱罩。隔熱罩主要通過自身結構阻隔熱流傳播，降低所保護零件的表面溫度并對熱流起導向散熱的作用。隔熱罩材料采用熔融鍍鋁鋼板(如SACD系列)或冷軋鋼板(如SPCC系列)，結構上常采用雙層結構，中間有時會夾有無石棉隔熱消音板。鋼板與隔熱消音板固定連接往往會采用以下幾種方式：鉚釘鉚接、凸點鉚接、激光點焊、包邊焊接(見圖1)。

隔熱罩本身結構并不復雜，但往往臺架試驗和實車運行故障率較高(破壞照片見圖2)，這主要是隔熱罩需要滿足的設計要求較多，尤其是模態(tài)要求標準較嚴。本文作者運用CATIA及ABAQUS軟件，通過實際案例說明隔熱罩的設計方法及設計要求，并總結敘述隔熱罩模態(tài)優(yōu)化的方法。

圖2 隔熱罩破壞照片

1 隔熱罩設計方法

隔熱罩隸屬于鈑金零件，通過沖壓工藝制作完成，其上會有安裝點、加強筋等結構。為了在數模上實現這些特征，一般采用曲面設計和實體設計兩種方式進行繪制。

1.1 曲面設計

曲面設計是指通過對曲面輪廓增加特征的方式進行繪制。以圖3所示的排氣歧管隔熱罩為例，曲面設計方式如下所示：

首先根據排氣歧管外部輪廓，運用曲面偏移命令在保證與排氣歧管最小間隙大于5 mm的前提下，畫出隔熱罩概念結構(見圖4)。

之后在其上設置安裝點結構(見圖5)，安裝點結構常是帶有拔模斜度的圓臺。圓面處與排氣歧管上安裝點是否貼合取決于最終曲面加厚時的方向，若曲面向外側加厚則應貼合，若向內側加厚則應保留隔熱罩厚度尺寸的距離(此例中向外加厚)。隔熱罩安裝點處結構根據排氣歧管上安裝點位置或上凸圓臺或下凹圓臺，但盡量避免圖6中的上凸下凹都包含的結構，因為其實際制作工藝較為困難，制作成本較大。

圖5 增加安裝點結構

圖6 上凸下凹結構

然后在隔熱罩上較為平整、明顯醒目的位置設置防燙標識。防燙標識深度為2～3 mm，如圖7所示。

圖7 增加防燙標識

之所以先布置安裝點結構、防燙標識，是因為這兩個結構是隔熱罩必需保證的結構，應優(yōu)先設計。其他諸如加強筋等結構可根據具體情況調整，一般是圍繞這兩個結構布置展開的。

之后根據實際需要布置加強筋，根據外圍邊界切除調整間隙較小的部分，同時將隔熱罩上直角棱邊圓角化處理，見圖8。

圖8 加強筋和優(yōu)化小間隙結構

最后對成型曲面增加厚度(見圖9)，并根據實際需要選擇性增加通氣孔。通氣孔的作用是防止熱量積存在隔熱罩與排氣歧管之間造成長時間過熱負荷，在外界允許范圍內適當釋放一部分熱量。

圖9 增加厚度

1.2 實體設計

實體設計是指通過設計實體結構來繪制包絡面，提取包絡表面并加厚的方式。相比于曲面設計，最大優(yōu)點是隔熱罩上的結構可以通過實體命令的排列組合設計出來。很多過程實體設計一步就可以完成，而曲面則需要多步并且容易報錯。以增壓器隔熱罩為例，實體設計方式如下所示：

首先根據增壓器外部輪廓(見圖10)運用實體命令畫出隔熱罩概念結構(見圖11)，繪制時需保證與增壓器間隙不小于5 mm。隔熱罩實體邊緣處需有棱邊結構，此結構是曲面提取的邊界面，到此為止不會提取到側面。

圖10 增壓器蝸殼結構 圖11 隔熱罩概念結構

(實體設計)

之后進行結構細化，主要布置安裝點結構，增加避讓增壓器法蘭的結構、增壓器執(zhí)行器桿運行軌跡避讓結構等，并與概念結構圓角化過渡，見圖12。

然后進行結構修飾，增加加強筋、翻邊、外圍邊界避讓等結構，并在安裝點處增加安裝孔，見圖13。

圖12 結構細化 圖13 結構修飾

最后提取實體表面，并設置隔熱罩厚度值，如圖14所示。此外對于圖15中的尖銳棱邊，需倒圓角處理。

圖14 設置厚度值

圖15 尖銳棱邊圓角處理

2 隔熱罩設計要求

隔熱罩數模設計完成后是否可以制作零件，還需滿足一定的設計要求。即在詳細設計完成后與零件制作之間還需進行設計校核，詳細內容如下。

2.1 空間間隙

隔熱罩在發(fā)動機工作過程中，其未固定部分會發(fā)生振動，易與周圍零件碰撞造成損壞。同時對于增壓器執(zhí)行器桿這種運動部件，隔熱罩設計間隙也尤為重要。此外對于隔熱罩這種鈑金件，其制作誤差本身就大，這一方面影響也需考慮在內。

因此隔熱罩與非運動零件間隙需不小于5 mm，與運動零件間隙需不小于8 mm；為防止熱流沿著間隙過量散出，間隙最大不得大于20 mm。隔熱罩與非運動件間隙設置界面如圖16所示。

圖16 隔熱罩與非運動件間隙

2.2 裝配工藝性

裝配工藝性既包括隔熱罩本身裝配工藝性，又包括不影響其他零件的安裝。隔熱罩自身安裝需注意以下幾點：安裝點處平面結構半徑需比螺栓安裝工具半徑大2 mm以上；螺栓盡量水平或從上向下擰緊，避免出現從下向上安裝的結構(否則裝配工人需蹲下抬頭擰緊，影響生產節(jié)拍)；隔熱罩安裝工具在行程中不要與周圍零件干涉(如圖17所示)等。

隔熱罩不影響其他零件安裝主要體現在隔熱罩本體不要擋住其他零件安裝工具的運行。如圖18所示，增壓器法蘭上有4個安裝在氣缸蓋上的安裝孔，其螺栓安裝工具行程被隔熱罩擋住，只得更改生產工序，將原來隔熱罩與增壓器裝好后一起裝到氣缸蓋上，變更成先裝增壓器再裝隔熱罩的方式。

圖17 隔熱罩安裝工具 圖18 隔熱罩本體影響增壓器安裝與管路發(fā)生干涉

2.3 鹽霧試驗

隔熱罩為金屬件，長時間在環(huán)境中裸露容易生銹腐蝕，影響使用性能。因此其材料兩側表面會采用鍍鋅或鍍鋁的方式提升耐腐蝕性，同時還要滿足鹽霧試驗的要求。

鹽霧試驗是指將隔熱罩固定在封閉容器內，對隔熱罩兩側進行鹽水噴霧。根據材料表面鍍鋁或鋅質量密度的不同，噴霧時間也不相同，詳見表1。試驗完成后取出用肉眼觀察，每30 cm2上的銹斑數量需不大于6個，且不允許有直徑大于2 mm的銹斑出現，這樣才算滿足鹽霧試驗要求。

表1 鹽霧試驗要求

2.4 隔熱率試驗

隔熱罩隔絕熱量傳播的能力稱為隔熱率。隔熱率試驗是指熱源與隔熱罩以一定距離固定，當熱源達到某一溫度并穩(wěn)定時，測量隔熱罩冷面?zhèn)?即隔熱罩遠離熱源的一側)10 mm處的溫度值，并通過與熱源溫度對比確定隔熱率。對于普通汽車發(fā)動機而言，排氣系統外表面溫度最高為900 ℃左右。實際隔熱率試驗中為降低成本縮短時間，只需對熱源最高溫度時的隔熱率進行測量，其他熱源溫度時隔熱罩冷面測量點的溫度都會比此溫度值低，不用再測量。

通常熱源設置為恒溫900 ℃，熱源與隔熱罩間距20 mm，穩(wěn)定后要求隔熱罩冷面?zhèn)?0 mm處溫度需小于150 ℃。

2.5 制作工藝性

制作工藝性是指在制作設備和工藝能力允許范圍內，能否將隔熱罩合格地制作出來。一般詳細數模定型后，需發(fā)送供應商進行沖壓模具、成型模具、組合卡具的設計以及材料延展情況模擬，確定可以實現后反饋制作工藝信息。但作為設計人員，一些常見需要注意的結構應該了解，以下簡要說明：

(1)相鄰靠近的兩筋不要同向沖壓，需調整成相反方向，見圖19。否則沖壓容易出現負角，兩筋結構會相互影響造成較大形狀誤差。

圖19 相鄰較近加強筋應反向

(2)沖壓凹槽的深度不應超過8 mm，否則凹槽側面拉伸過薄容易出現裂紋或斷裂。圖20給出了一個示例。

圖20 沖壓凹槽深度

(3)對于需避讓的開口區(qū)域，開口形狀要設置成“U”形而不是“V”形，防止應力集中。同時“U”形結構中間圓角盡可能大，中間區(qū)域最好能帶有直線段結構，如圖21所示。

圖21 “U”形避讓結構

(4)鉚點距隔熱罩邊緣輪廓應在8 mm以上，見圖22，以保證鉚接強度，防止翹曲變形造成鉚接點開裂。

圖22 鉚接點距邊緣距離

2.6 模態(tài)

發(fā)動機上最大鈑金沖壓件是隔熱罩，且它與固定零件并非全面約束，只是通過幾個安裝點局部固定。再者為防止其振動幅度過大，隔熱罩需滿足一定的剛度要求。

各階模態(tài)中屬一階模態(tài)值最小，仿真模擬時重點關注一階模態(tài)值。以直列4缸發(fā)動機最大轉速6 000 r/min為例，其共振頻率200 Hz?？紤]到一定的安全系數，實際要求模態(tài)值須大于280 Hz,分析結果見圖23。但需注意，對于中間夾有隔熱消音棉的隔熱罩，計算時應去除其厚度，隔熱罩直接按金屬板總厚度計算模態(tài)。

圖23 隔熱罩模態(tài)

3 模態(tài)優(yōu)化

隔熱罩詳細數模完成后，其模態(tài)基本上都需要反復優(yōu)化才能滿足要求。此節(jié)通過實際應用案例，概括闡述隔熱罩模態(tài)優(yōu)化的方法。

3.1 調整安裝點

調整安裝點包括兩種：改變安裝點位置或結構、增加安裝點。隔熱罩安裝點對隔熱罩本身起約束作用，約束越大模態(tài)值越大。改變安裝點位置或結構是指將安裝點均勻分布在隔熱罩包絡面上，避免集中，同時在條件允許情況下換裝大規(guī)格螺栓固定(比如M6螺栓改成M8螺栓)。增加安裝點主要是在原有安裝點無法改變時，在薄弱處增加固定約束點，見圖24。這種方式見效快但增加成本，需權衡考慮。

圖24 薄弱處增加安裝點

3.2 調整加強筋

調整加強筋包括改變加強筋位置、改變加強筋結構、增加加強筋3種。加強筋作用是將應力傳遞到安裝點處進行釋放，降低局部應力應變值。因此改變加強筋位置主要是將加強筋指向安裝點處。改變加強筋結構是指對原有加強筋加大加寬加長(見圖25)，或改變加強筋截面形狀，這種變更只需修改沖壓筋模具。增加加強筋則是在既有加強筋無法優(yōu)化或效果不佳的情況下，增加其數量，需增加沖壓筋模具。

圖25 調整加強筋

3.3 去除余肉

有時計算模態(tài)發(fā)現，模態(tài)值偏低的位置其結構沒有作用可以去除，此時切除這部分余肉可以很大程度上提高模態(tài)。并且這種方法還可節(jié)省零部件材料，降低零件成本。

圖26 去除余肉

3.4 大曲面結構

大曲面結構是指隔熱罩整體設計成等半徑的曲面結構，使原始鋼板本身剛度提升的方法。這是隔熱罩開始設計時的首要步驟，其他安裝點結構、加強筋等再在其上布置。如圖27圓圈區(qū)域所示，設置半徑為70 mm的大曲面結構。

圖27 大曲面結構

3.5 大圓角過渡

大圓角過渡是指增大結構上圓角大小(見圖28)，形成局部曲面。同時不同結構間通過圓角圓滑過渡，避免出現局部應力集中、約束力無法傳遞以及褶皺裂紋等現象。

圖28 大圓角結構

3.6 加翻邊

加翻邊(見圖29)主要是在隔熱罩邊緣翹起一條翻邊結構，可以整體提高零件剛度，只是提高模態(tài)值的程度較小。此外加翻邊還可提高零件美觀性和安全性，防止隔熱罩鋒利邊緣劃傷裝配工人。

圖29 加翻邊

3.7 增加厚度

有時隔熱罩剛度不足是由于材料厚度選配較小造成的，此時應根據國家標準板材厚度選擇較大厚度板材。對于局部剛度不足則可以局部增加零件厚度，但需進行CAE仿真。如圖30所示，隔熱罩安裝支架剛度較低，共振耐久試驗時斷裂，之后將支架厚度由2 mm改成3 mm，試驗通過，順利量產。

圖30 剛度不足導致支架斷裂

3.8 增加減震墊

隔熱罩安裝點處直接與固定零件接觸，安裝點周圍屬于約束與非約束分界區(qū)域，極易發(fā)生斷裂現象。為緩解隔熱罩振動，隔熱罩安裝點處會增加如圖31所示的減震墊。它本身是圓環(huán)型結構，由內外鎖扣壓緊中間減震襯墊構成，依靠減震襯墊緩解振動。

圖31 減震墊結構

4 結論

隔熱罩屬于發(fā)動機保護性零件，其性能好壞直接影響排氣系統的運行。隔熱罩設計也是發(fā)動機設計中的重要一環(huán)。本文作者通過列舉案例，介紹了隔熱罩曲面設計和實體設計方法，概括說明設計之后需要校核的設計要求。并針對隔熱罩模態(tài)優(yōu)化的問題，系統闡述了幾種調整方法。文中內容是基于實際生產應用的經驗性總結，運用此內容指導的隔熱罩已搭載許多車型走向市場，對之后新機型隔熱罩設計具有指導意義。