發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性分析與試驗(yàn)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性分析與試驗(yàn)作者：長(zhǎng)安汽午工程研尤院 來(lái)源：AI汽車制適業(yè)完善的項(xiàng)目前期工作預(yù)示著更少的項(xiàng)目后期風(fēng)險(xiǎn)，這也是工作的重要意義之一。在整機(jī)開發(fā)的前期（概念設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)階段），由于沒有成熟樣機(jī)進(jìn)行NVH試驗(yàn)，很難 通過(guò)試驗(yàn)的方法預(yù)測(cè)產(chǎn)品的NVH水平。因此，通過(guò)仿真的方法對(duì)整機(jī)NVH性能進(jìn)行分析 甚至優(yōu)化顯得十分重要。眾所周知，NVH是個(gè)復(fù)雜的槪念，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲以及個(gè)體對(duì)振動(dòng)和噪聲的主觀 評(píng)價(jià)等?？陀^地說(shuō)，噪聲與振動(dòng)也相互聯(lián)系，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)一部分噪聲由結(jié)構(gòu)表而振動(dòng)直接 輻射，另一部分由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和進(jìn)排氣通過(guò)空氣傳播。除此之外，發(fā)動(dòng)機(jī)附件（如風(fēng)扇） 也存在噪聲貢獻(xiàn)。本文僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)

2、結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題，即在主軸承載荷、燃燒爆發(fā)壓力和運(yùn) 動(dòng)件慣性力的作用下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行分析以及與試驗(yàn)的對(duì)比。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲的 激勵(lì)源主要包括燃燒爆發(fā)壓力、氣門沖擊、活塞敲擊、主軸承沖擊、前端/鏈驅(qū)動(dòng)和激勵(lì)等, 這些結(jié)構(gòu)振動(dòng)又通過(guò)缸蓋罩、缸蓋、缸體和汕底殼等傳出噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析方法簡(jiǎn)介動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)撮動(dòng)分析（結(jié)果評(píng)判G動(dòng)力總成力學(xué)分析（結(jié)果評(píng)判二犁ft)運(yùn)動(dòng)件簡(jiǎn)化模型建立I動(dòng)力總成FE建饒及動(dòng)力總成模態(tài)校核（結(jié)果評(píng)判一TA模態(tài)壓編圖1發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析方法如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲分析方法包括以下幾個(gè)步驟:1. 動(dòng)力總成FE建模及模態(tài)校核建立完整的短發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器裝配的有限元模型；對(duì)該有

3、限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)分 析結(jié)果判斷各零件間連接是否完好：通過(guò)分析結(jié)果判斷動(dòng)力總成整體模態(tài)所在頻率范圉是 否合理，零部件的局部模態(tài)頻率是否合理，若存在整體或局部模態(tài)不合理的情況，需要對(duì) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步更改或優(yōu)化。2. 動(dòng)力總成模態(tài)壓縮縮減有限元模型，得到動(dòng)力總成的剛度、質(zhì)量、幾何以及自由度信息，用于多體動(dòng)力學(xué)分 析。3. 運(yùn)動(dòng)件簡(jiǎn)化模型建立發(fā)動(dòng)機(jī)中的部分動(dòng)件不用進(jìn)行有限元建模，可作簡(jiǎn)化處理，形成梁-質(zhì)量點(diǎn)模型，用于多體 動(dòng)力學(xué)分析。其中包括：活塞組、連桿組和曲軸及其前后端。4. 動(dòng)力總成多體動(dòng)力學(xué)分析在泄義了動(dòng)力總成各零部件間連接并且已知各種載荷的情況下，對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行時(shí)域下的 多體動(dòng)力學(xué)分

4、析，并對(duì)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)域和頻域下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)判，同時(shí)，其輸岀用 于結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析。5. 動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析基于多體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，對(duì)整個(gè)動(dòng)力總成有限元模型進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)本 體、變速器以及各種外用件的表面振動(dòng)特性，進(jìn)行評(píng)判和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。實(shí)例分析1. 分析對(duì)象以一款成熟的直列四缸1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)為平臺(tái)，針對(duì)苴結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)英進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)CAE 分析，并與其臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相比較。發(fā)動(dòng)機(jī)的部分參數(shù)如下：缸徑75mm,沖程85mm, 缸間距84mm,最大缸壓6MPau2. 坐標(biāo)定義為了便于以后敘述，對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行了坐標(biāo)左義（見圖2）。Top (上1J r Left qRear （后丿Fro

5、ntBottom li*gKt f 右丿/ r n n rfp嚴(yán).4P LJ L/ /Left (A)Rear (后/Front 1請(qǐng)丿占圖2動(dòng)力總成坐標(biāo)系3.動(dòng)力總成有限元建模及模態(tài)校核整個(gè)動(dòng)力總成包括42萬(wàn)節(jié)點(diǎn)和54萬(wàn)單元。其中，缸體、缸蓋和缸蓋罩為六面體單元：油 底殼、進(jìn)排氣歧管為四邊形殼單元：變速器及支架為二階四面體單元：其他外用零件則簡(jiǎn) 化為質(zhì)量點(diǎn)，并通過(guò)梁?jiǎn)卧c機(jī)體相連。圖3為其有限元模型，模態(tài)分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果 如表所示。圖3動(dòng)力總成有限元模型動(dòng)力總成固有頻率結(jié)果 H 223302試驗(yàn)結(jié)果/fc200220294相對(duì)證值2硏1.4%2.7%通過(guò)上表可以看出，CAE分析和模態(tài)試驗(yàn)得

6、到的動(dòng)力總成主要模態(tài)結(jié)果比較接近在允許 的誤差以內(nèi)。所以，此模型具有可信性，可以用于強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算。當(dāng)然，從分析和試驗(yàn)的 結(jié)果也可以看岀，本款發(fā)動(dòng)機(jī)的整體彎曲模態(tài)偏低，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。動(dòng)力總成動(dòng)力學(xué)分析1. 整機(jī)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行整機(jī)振動(dòng)測(cè)試（見圖4），其中，對(duì)多處重要的發(fā)動(dòng)機(jī)及其外帀部件表 而位巻安裝了傳感器。本實(shí)例選擇了3處傳感器位置進(jìn)行分析，包括變速器支架端（三向 傳感器）、差速器底部（三向傳感器）以及缸體群部中部（單向傳感器）。傳感器輸出為 速度信號(hào)。試驗(yàn)中測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000r/min. 4500r/min和5 500r/min共3個(gè)轉(zhuǎn)速下的 振動(dòng)特性，其中，每個(gè)轉(zhuǎn)速

7、下分別對(duì)空載、半載和滿載進(jìn)行了測(cè)試。圖4臺(tái)架及部分傳感安裝2. 動(dòng)力學(xué)仿真分析通過(guò)EXCITE Power Unit建立的動(dòng)力學(xué)模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、零部件間連接和加載 載荷信息。動(dòng)力學(xué)模型為非線性系統(tǒng)，苴中包括所有的線性零部件和部分非線性的零部件 連接。由于客觀條件的限制，加載載荷只考慮了燃燒壓力、主軸承載荷，而配氣機(jī)構(gòu)載荷、變速 器載荷和活塞敲擊沒有考慮在內(nèi)。另外，分析得到的結(jié)果為動(dòng)力總成的表而速度，用于與 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主軸承載荷和氣缸爆發(fā)壓力見圖5、圖6。MB ForceTawForoe N- ToWFxceZN)NmolL豆 OJLJBi0.35040.450.50.550j

8、00.M0.70.7503Times|圖5主軸承戦荷80500302010380 -270 -190-90090180270 360Crank Angledegl圖6氣缸爆發(fā)圧力汁算工況選擇發(fā)動(dòng)機(jī)滿載工況，轉(zhuǎn)速?gòu)? 000r/min到5500r7min,每500r/min計(jì)算一次。3. 仿貞結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較（1）變速器支架端振動(dòng)結(jié)果比較仿真和試驗(yàn)的1/3倍頻程結(jié)果和Campbell如圖79所示。115 It 31 eJioqutncy HzQrCo Moufl：.V10KOcarbx M-ount：.X00 OCtJMG-voifMx MvnUZ分總d餐護(hù) e !e Feoue圖7變速器支架端振動(dòng)結(jié)果比!K(2 OOOr/mim)卜T卜:衍二蕊聶MQiuntz*YOearbOM Mo um *Z 1103K120noGOITO AS Ih rwv*nef3.1 Wi圖8變速灤支架瑞振動(dòng)結(jié)果比較(5 500 r/mim)是由于懸置橡膠參數(shù)的不準(zhǔn)確造成的，需要對(duì)橡膠參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。（3）缸體群部中部振動(dòng)結(jié)果比較類似于變速器支架端振動(dòng)結(jié)果的比較，進(jìn)行缸體群部中部仿真和試驗(yàn)結(jié)果的比較可以看出: 大部分分析頻率范國(guó)內(nèi)，試驗(yàn)和仿真結(jié)果比較接近。結(jié)語(yǔ)基于有限元及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分