李小泉

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

發(fā)動機齒輪室蓋板有限元模態(tài)分析

李小泉

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

針對發(fā)動機齒輪室結(jié)構(gòu)，采用有限元分析方法，分析齒輪室的各諧次模態(tài)，給出齒輪室各諧次固有模態(tài)頻率結(jié)果。在此基礎(chǔ)上對齒輪室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，進而改善固有頻率，降低整機噪聲。

齒輪室;有限元;模態(tài)分析;優(yōu)化

根據(jù)發(fā)動機NVH優(yōu)化方案，需要對該齒輪室蓋板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以改善其固有頻率，為整機降噪提供貢獻。計算分析齒輪室的各諧次模態(tài)，給出齒輪室蓋板各諧次固有模態(tài)頻率結(jié)果的基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化分析［1-3］。

1　計算模型和邊界條件

1．1計算模型

本計算針對發(fā)動機齒輪室蓋板進行優(yōu)化分析，在Hypermesh里面抽取中面劃分網(wǎng)格、設(shè)定材料屬性、施加邊界條件，然后利用其優(yōu)化模塊進行優(yōu)化計算。其網(wǎng)格模型圖及約束情況見圖1，計算模型單元數(shù)和節(jié)點數(shù)見表1，分析中各零件的材料特性見表2。

表1　計算模型單元數(shù)和節(jié)點數(shù)

1．2邊界條件

由于模態(tài)計算不考慮受力情況，所以只考慮齒輪室蓋板的約束即可。

表2　分析中各零件的材料特性

2　優(yōu)化計算約束、載荷情況

根據(jù)實際情況，對齒輪室蓋板約束其與機體相連端面的螺孔所有自由度，見圖1。

3　初始模態(tài)及優(yōu)化計算結(jié)果

圖2～圖4為一階級到五階級原模型與優(yōu)化模型的比較云圖。

圖5為原齒輪室蓋板試驗數(shù)據(jù)分析圖，由圖5可見，前端測點2的噪聲最高頻率為1 600 Hz頻帶(1 400～1 800 Hz)，1 m聲壓級達到了95．7 dB，其次在1 000 Hz頻帶(900～1 120 Hz)1 m聲壓級為93．1 dB。

由于齒輪室蓋板兩側(cè)面的空間非常有限，外面要安裝張緊輪、皮帶，里面是齒輪部件，其本身設(shè)計空間只有4 mm左右，故通過提高筋的厚度來提高固有頻率在模型中不可取，只能采取加寬筋的措施來提高固有頻率。但如果加寬太多，則使得齒輪室蓋板制造材料增加，增加了成本，不利于降成本，所以只好在其一階次頻率振型最大的部位加寬筋，如圖6所示。

齒輪室蓋板優(yōu)化前后各階頻率，如圖2、圖3、圖4所示，其中2階和4階由于篇幅有限省略，由表3可見，優(yōu)化后齒輪室蓋板的一階次頻率由835．5 Hz變?yōu)榈?51．98 Hz。其余階次均有提高。最好的方式是對筋進行加厚，但是由于安裝空間的限制，無法實現(xiàn)，所以只好采取加寬筋的方式，但加寬筋效果不太好，且使得模型制造的材料增加很多，很不利于降成本。

表3　原模型、優(yōu)化模型各階次頻率比較(單位:Hz)

如果非要提高其固有頻率，可以在圖6所示的部位將該筋加寬到與孔相連的部位。

4　不同約束對結(jié)果的影響

現(xiàn)將原模型約束改為對整個結(jié)合面進行約束，此時不再約束螺孔里面的節(jié)點自由度，以進行對比計算，約束如圖7所示。約束改變后原模型的前5階次模態(tài)計算結(jié)果如圖8～圖12所示。

表4　原模型、改變約束原模型各階次頻率比較(單位:Hz)

根據(jù)圖8～圖12計算結(jié)果，由表4可見，通過對比計算發(fā)現(xiàn)，對于該齒輪室蓋板，約束上緊螺孔位移與約束結(jié)合面結(jié)果相差不大，如一階次模態(tài)分別為835．5 Hz和838．5 Hz，都在計算誤差范圍內(nèi)。

5　結(jié)論

本研究在分析了齒輪室蓋板的各諧次模態(tài)，給出齒輪室蓋板各諧次固有模態(tài)頻率結(jié)果的基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化分析。分析可知:

1)原模型兩側(cè)的安裝空間不允許對筋加厚，只能對筋進行加快寬來實現(xiàn)固有頻率的提高，如圖6(b)所示。

2)在原一階次最大振型處加寬筋厚，其固有頻率的提高效果并不明顯，只提高了10 Hz，但是卻使得制造材料增加，表明優(yōu)化空間非常有限。

3)對于齒輪室蓋板，約束上緊螺孔位移與約束結(jié)合面的一階次頻率結(jié)果很接近。

［1］傅志方，華宏星［著］．模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，2000．

［2］胡志勝，李波．基于模態(tài)分析的發(fā)動機齒輪室蓋優(yōu)化設(shè)計［J］．汽車工程師，2011(7):59－61．

［3］李冰冰．“摩天環(huán)車”游藝機大臂的有限元分析［J］．承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2014，16(2):17－19．

Modal Analysis of Engine Gear Chamber with FEM

LI Xiao-quan
(Department of Automotive Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

According to the structure of engine gear chamber，finite element method(FEM)was used to analyze various harmonic modes of the gear chamber and get the harmonic inherent frequencies．On the basis of this，the structure of engine gear chamber was optimized and analyzed to improve the inherent frequency and lower the noise．

gear chamber;FEM;modal analysis;optimization

TK422

B

1008-9446(2015)02-0050-05

2014-12-09

李小泉(1979－)，男，河北遵化人，承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，講師，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機制造工藝。