摩托車試驗臺架振動分析

摩托車試驗臺架振動分析

在開發(fā)發(fā)動機的過程中，為了評估發(fā)動機部件的可靠性，應進行大量的可靠性試驗。某大排量發(fā)動機樣機在耐久臺架上做可靠性試驗時,多次發(fā)生發(fā)動機箱體等零部件損傷事故,影響了開發(fā)工作進度。經分析,發(fā)現該耐久臺架存在振動過大的問題,為此,需要對發(fā)動機及其臺架進行振動測試,然后根據測試結果采取有針對性的改進措施。1發(fā)動機實際運作模式當三臺同批量的發(fā)動機耐久試驗(發(fā)動機磨合20h后,一直全負荷,轉速穩(wěn)定在6000r/min)分別進行到58,67,52h時,出現了發(fā)動機箱體斷裂的問題,破壞形式見圖1。與結構類似的進口SUZUKI650以及BMW650發(fā)動機箱體相比,某大排量發(fā)動機的箱體材料和厚度并不差。從箱體破壞斷口看,發(fā)動機箱體斷裂部位存在疲勞斷裂裂紋,且裂紋發(fā)生在箱體上部,最先發(fā)生部位成對稱形式。由此,初步判斷是由于缸頭、缸體整體有扭振振動導致疲勞斷裂。2發(fā)動機振動、應力應考慮受試試驗臺架基為解決某大排量發(fā)動機耐久試驗時箱體部件失效的問題,把發(fā)動機裝在耐久試驗臺架、性能試驗臺架、摩托車整車架上工作,對這幾種情況下的發(fā)動機振動、應力進行了實測、比較和分析。2.1臺架的主要參數設計總共用了三種臺架進行振動測試,一是出了問題的舊耐久臺架,見圖2,二是性能試驗臺架,見圖3,三是改了發(fā)動機安裝方式的耐久臺架。性能試驗臺與耐久試驗臺的主要區(qū)別有兩個,一是測功機不同:耐久試驗臺功率為60kW,杭州某公司制造,而性能測功機功率65kW,AVL公司生產;二是耐久試驗臺的測功機與發(fā)動機各用一個底板,而性能試驗臺測功機與發(fā)動機共用一塊底板。考慮到舊耐久臺架上的發(fā)動機振動劇烈,決定改進在耐久臺架上的發(fā)動機固定方式,再加上其它改動,構成一個新耐久臺架。它與舊耐久臺架的區(qū)別是:a.縮短聯軸節(jié)的長度,使發(fā)動機連同夾具整體向測功機靠近了120mm。b.測功機軸與發(fā)動機軸對中誤差控制在0.2mm以內(舊臺架有2～4mm大)。試驗臺架三種組合的簡要結構,見表1。2.2測量參數和采集2.2.1振動加速度的測量振動用發(fā)動機表面的加速度衡量,用加速計測量;應力用箱體表面所受的機械變形來衡量,用應變片測量。振動及應變測試系統的組成見圖4。系統的振動測試部分是,壓電式加速度傳感器將振動加速度轉換成電荷量,然后輸至電荷放大器;放大器將傳感器輸出的微弱電荷信號轉變?yōu)殡妷盒盘柌⒎糯蟮紸/D轉換器需要的量程范圍,再傳送到多通道信號采集儀;信號通過A/D轉換后,由模擬量變成了離散的數字量,輸入到計算機,經振動分析軟件處理,得到振動加速度的時域波形及振動加速度的有效值,以及振動頻率、周期、相位、衰減系數、頻譜等。系統應變測試部分是,應變片隨著機體表面貼片處的拉壓而變形,產生的電阻變化經電阻應變儀轉換為電壓值,輸給數據采集器。2.2.2正頂面的測點面振動測點布置見圖2、圖3。其中測點1在發(fā)動機曲軸箱體后部的正頂面,測點2在發(fā)動機頂部即氣缸頭頂面,測點3在發(fā)動機的缸體前部,測點4在發(fā)動機缸體右側面,測點5在曲軸箱體前部的頂面。此外,固定發(fā)動機的前、后支撐上下的位置也都布置了測點。2.3發(fā)動機動力測試結果及分析2.3.1發(fā)動機各臺架各測點加速度波形和有效值測試時發(fā)動機沿外特性運行(滿負荷),取8個轉速點,在每一轉速下穩(wěn)定1min,進行采樣。測出了各測點的振動加速度波形,并進行了頻譜分析。以測點1為例,在不同的臺架下測出的發(fā)動機6000r/min時的振動波形和頻譜。其它測點也都有實測波形和頻譜,限于篇幅不一一給出了。下面只給出不同臺架上各測點加速度波形峰值和計算信號的有效值xrms(文中簡稱RMS,能反映能量或功率的大小)隨轉速變化的曲線。式中,x為周期振動的位移,T為周期振動的周期。2.3.2u3000振動特性圖5、圖6分別給出了測點1,2在不同臺架上的振動測試結果。圖5顯示發(fā)動機在舊耐久臺架上的振動明顯大于在性能試驗臺架和新耐久臺架的振動。并且在6000r/min附近出現最大的振動加速度峰值,相對應的RMS值也就大。圖6顯示測點2在舊耐久臺上的振動也大于性能臺架和新耐久臺架上的振動,最大加速度也在6000r/min(6000r/min是耐久試驗時發(fā)動機的恒定轉速)。不過測點2的RMS值在不同臺架上相差不多。這主要是由于傳感器2安裝在發(fā)動機缸頭上,雖然峰值能量分布不一致,但發(fā)動機的振動總能量趨于一致。綜合圖5和圖6,可以肯定新耐久臺架上發(fā)動機振動已大為減輕,但還是比性能臺架要大。2.3.3振動情況對比如圖7和圖8所示,可以看出新耐久和性能臺振動情況接近,都優(yōu)于舊耐久臺。下支點的振動幅值明顯高于上支點振動幅值。這也解釋了發(fā)動機下懸掛比上懸掛更易出現裂痕的原因。2.4臺架與性能臺架的振動對比前已述及,性能臺架上發(fā)動機與測功機共用一塊底板,而耐久臺架中發(fā)動機與測功機的底板是分開的。發(fā)動機試驗時,耐久臺架的兩塊底板的振動也不相同,人站在發(fā)動機底板上就能感受到其振動要比性能臺架底板振動大很多。為定量掌握底板振動情況,在不同臺架的底座上幾個相同或接近的部位布置了測點。圖2為耐久臺架的測點布置,圖3為性能臺架的測點布置(在性能臺只有一塊底板,測點b、測點c合成了一個測點)。因為新、舊耐久臺架的底座相同。只給出了舊耐久臺架與性能臺架的比較。測試時發(fā)動機滿負荷,轉速為6000r/min,穩(wěn)定1min后采樣。測出了各測點的振動加速度波形,并進行了頻譜分析。各測點都有實測波形和頻譜,限于篇幅這里不給出。僅給出a點的加速度有效值RMS比較,見圖9。由圖9可知,試驗時發(fā)動機轉速在5200～6500r/min之間耐久臺架振動能量比性能臺架大,發(fā)動機耐久試驗時的轉速剛好在這個振區(qū)之內,而性能試驗時在這個轉速區(qū)的時間較短。3對發(fā)動機部件的電壓測試3.1發(fā)動機所測檔案中應變片及點的位置在箱體上容易出現疲勞裂紋的部位,貼上應變片。應力片為單片,所測應變方向為可能的最大應力方向(多次試驗所得)或與裂紋垂直的方向。如圖10上給出了發(fā)動機箱體外表面上貼應變片的位置及應變片編號。測試時發(fā)動機在滿負荷下以幾種選定的轉速運行。根據測得的應變,利用式σ=Eε(式中E表示被測物材料的彈性模量,ε表示試件的應變)可以換算出該部位的應力。3.2兩組膠片應力比較表2和表3中分別列出了舊耐久臺架和性能臺架上的應力換算結果。表中所有應力數據都不是絕對值,因為實際測試中很難保證做到工作片與補償片處于溫度完全一致。但這些數據具有相對比較的意義。從表2、表3可以綜合得出:a.在表2中第15#,3#,12#,13#貼片處應力較大,在表3中第3#,15#,8#,12#點應力較大。兩種情況的貼片部位相同或相近。其中