孫洪哲，李衛(wèi)民，韓國輝

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

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汽車發(fā)動機缸蓋與排氣歧管裝配體的模態(tài)分析

孫洪哲，李衛(wèi)民，韓國輝

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001）

摘 要：發(fā)動機排氣系統(tǒng)的密封決定著發(fā)動機性能，研究發(fā)動機的振動對密封性能的影響。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件分析，對汽車發(fā)動機缸蓋、排氣歧管密封墊及排氣歧管的裝配體進行帶有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，得到該裝配體的固有頻率，并與發(fā)動機對外激振頻率進行比較，進而判斷兩者之間不能發(fā)生共振現(xiàn)象。證明該因素不會影響發(fā)動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管裝配體的密封性能。

關(guān)鍵詞：共振；預(yù)應(yīng)力；模態(tài)分析；固有頻率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.011

CLC NO.: TH128 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-35-02

引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷提升，現(xiàn)代汽車也朝著小型化，高功率的方向發(fā)展。為了提高汽車發(fā)動的工作效率，發(fā)動機缸蓋與排氣歧管的密封性能越發(fā)得到汽車生產(chǎn)單位的重視。良好的排氣系統(tǒng)決定著發(fā)動機功率、扭矩、排放污染等，其前提就是可靠的排氣密封系統(tǒng)[1-2]。由發(fā)動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管組成的裝配體的固有頻率與發(fā)動機對外的激振頻率之間是否發(fā)生共振也是影響排氣密封性能的因素之一。一旦發(fā)生共振現(xiàn)象就會造成密封部位出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，排氣壓力就會降低，使發(fā)動機輸出功率降低，進而影響發(fā)動機的整體工作狀態(tài)[3-4]。

本文通過有限元法，應(yīng)用ANSYS Workbench分析軟件，對某型號的發(fā)動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管進行要有預(yù)應(yīng)力的分析計算，從而得到該裝配體的固有頻率[5-6]。

1、模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，包括實驗?zāi)B(tài)分析和計算模態(tài)分析兩部分。在發(fā)動機外激勵振動作用下，動力學(xué)問題遵循的平衡方程如下：

其中 [M]是質(zhì)量矩陣，[C]是阻尼矩陣，[K]是剛度矩陣，[F(t)]是力矢量，[X]是位移矢量，[x']是速度矢量，[x'']是加速度矢量。

而模態(tài)分析問題是動力學(xué)經(jīng)典的特征值問題，這里認(rèn)為發(fā)動機歧管密封結(jié)構(gòu)符合應(yīng)用非比例多自由度的粘性阻尼系統(tǒng)，采用計算模態(tài)分析的方法[7]，該問題的運動方程為：

由于結(jié)構(gòu)的自由振動為簡諧振動，所以其位移為正弦函數(shù)即x=x sin( ω t)，將該正弦函數(shù)帶入運動方程后得到該方程的特征值為開方后得到自振圓頻率ωi，自振頻率為

帶有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析則在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上考慮載荷產(chǎn)生的應(yīng)力對結(jié)構(gòu)剛度的影響。

2、固有頻率分析計算

2.1 裝配體的結(jié)構(gòu)模型

該裝配體由發(fā)動機缸蓋、密封墊片、排氣歧管、螺柱、墊圈及螺母組成。將分析模型導(dǎo)入后，對各個零件進行材料賦值，并定義各零件間的接觸對。由于模態(tài)分析屬于線性分析，而ANSYS Workbench軟件提供的5種接觸類型中只有Bonded和No Separation為線性分析，所以根據(jù)接觸情況將墊圈與螺柱之間以及排氣歧管與螺柱之間的接觸定義為No Separation，其余接觸部分定義為Bonded。該裝配體的結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

圖1　裝配體的結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 模型劃分網(wǎng)格

模態(tài)分析為結(jié)構(gòu)分析，可以采用軟件提供的四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格進行劃分，考慮到計算機的性能及分析計算的時間，網(wǎng)格類型采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小的設(shè)定分為整體網(wǎng)格大小和密封接觸面網(wǎng)格大小，分別設(shè)置為5mm和2mm，最終網(wǎng)格劃分后的單元數(shù)為599394，節(jié)點數(shù)為939432。該結(jié)構(gòu)模型的劃分網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2　結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

2.3 施加載荷和約束

該型號的發(fā)動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管通過M8的螺柱進行聯(lián)接，施加在螺柱上的扭矩為35N·m。在進行施加載荷時，螺柱表面施加的是預(yù)緊力，所以應(yīng)將扭矩轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力。根據(jù)預(yù)緊力與扭矩的關(guān)系：其中Ma為扭矩，F(xiàn)v為預(yù)緊力，k為扭矩系數(shù)，d為螺柱直徑，可得預(yù)緊力為其中d通過《機械設(shè)計手冊》查詢?yōu)?.1852，最終預(yù)緊力大小為23623.1102 N。施加預(yù)緊力后，在該裝配體缸蓋與缸體聯(lián)接的位置施加固定全約束。

2.4 模型的分析計算

計算后的應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3　應(yīng)力分布圖

模態(tài)分析計算前5階的結(jié)果如表1所示。

表1　前5階固有頻率數(shù)據(jù)表　單 位：Hz

3、發(fā)動機對外激振頻率

該型號的發(fā)動機有4個缸室，點火順序為1-3-2-4，曲軸最高轉(zhuǎn)數(shù)每分鐘轉(zhuǎn)6000轉(zhuǎn)，則該發(fā)動機每個工作循環(huán)曲軸需要轉(zhuǎn)動2轉(zhuǎn)，4個缸按點火順序爆炸各一次，即發(fā)動機每轉(zhuǎn)爆炸2次也就是振動2次。所以該發(fā)動機對外的激振頻率為：

發(fā)動機一般工作在750-6000轉(zhuǎn)之間，所以對外激振頻率范圍在25～200H之間。因此與通過對汽缸蓋組合體的模態(tài)分析結(jié)果對比可知，其自身各階次的固有頻率均遠(yuǎn)大于由于發(fā)動機工作對其產(chǎn)生的激振頻率。因此兩者之間不會發(fā)生共振問題。

4、結(jié)束語

通過有限元法得到發(fā)動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管裝配體的前5階固有頻率，其中1階固有頻率最小為1040.7Hz，而經(jīng)過計算得到的發(fā)動機對外最大激振頻率為200Hz，因為1040.7Hz遠(yuǎn)大于200Hz，所以共振現(xiàn)象不會發(fā)生。從而證明發(fā)動機自身振動不會影響發(fā)動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管裝配體的密封性能。

參考文獻(xiàn)

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[7] 許本文,焦群英.機械振動與模態(tài)分析基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社.1998,1.

The assembly of the automobile engine cylinder head and exhaust manifold of modal analysis

Sun Hongzhe, Li Weimin, Han Guohui
( Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

Abstract:The sealing of the engine exhaust system determines the engine performance, and to study the effect of the vibration of the engine on the sealing performance.Application of ANSYS Workbench software on the automobile engine cylinder head, the exhaust manifold gasket and the exhaust manifold assembly with a prestressed modal analysis, get the inherent frequency of the assembly, and comparing with the engine external excitation frequency, and judge between cannot occur resonance phenomenon.Show that the factors will not affect the engine cylinder head, sealing gasket sealing performance and exhaust manifold assembly.

Keywords:resonance; prestress; modal analysis; inherent frequency

作者簡介：孫洪哲，講師，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)，研究方向：現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計制造及機械可靠性工程。

中圖分類號：TH128

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-35-02