王鳳軍

【摘 要】本文在結(jié)合內(nèi)燃機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究，應(yīng)用專業(yè)軟件，根據(jù)實(shí)際內(nèi)燃機(jī)主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立動(dòng)力總成的三維實(shí)體模型，并利用模態(tài)分析技術(shù)得到內(nèi)燃機(jī)總成的固有頻率、主模態(tài)等參數(shù)，掌握其振動(dòng)規(guī)律，為進(jìn)一步減小振動(dòng)，降低噪聲打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)燃機(jī)；振動(dòng)；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)： TK401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）32-0057-002

【Abstract】In this paper， based on the research in the related fields of internal combustion engine， using the professional software， the three-dimensional solid model of the powertrain is established according to the actual structure of the internal combustion engine. The modal analysis technique is used to get the natural frequencies， Grasp its vibration law， lay the foundation for further reducing vibration and reducing noise.

【Key words】Internal combustion engine； Vibration； Modal analysis

隨著汽車向高速化和輕質(zhì)化方向發(fā)展，振動(dòng)噪聲問(wèn)題日益突出，人們對(duì)振動(dòng)和噪聲的控制要求也越來(lái)越嚴(yán)格。因此，振動(dòng)分析理論越來(lái)越到重視。汽車行駛的平順性、乘坐舒適性、內(nèi)燃機(jī)的減振和隔振更離不開振動(dòng)分析。內(nèi)燃機(jī)是整車主振源之一，汽車行駛時(shí)因路面不平、氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫?、運(yùn)動(dòng)件的不平衡慣性力周期變化的結(jié)果都會(huì)使內(nèi)燃機(jī)整機(jī)系統(tǒng)和曲軸系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，其懸置隔振性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)向車體的傳遞。通過(guò)以內(nèi)燃機(jī)及其懸置系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討其在參數(shù)改變時(shí)的振動(dòng)規(guī)律，在理論上和實(shí)際中都有較大意義。

1 研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在研究汽車動(dòng)力總成振動(dòng)問(wèn)題時(shí)常用到以下幾種方法，包括拉格朗日方程分析法，有限元分析法，模態(tài)分析法，動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)分析法。它基本思路是建立數(shù)學(xué)模型后建立運(yùn)動(dòng)方程，并對(duì)運(yùn)動(dòng)方程求解，從而得到響應(yīng)規(guī)律；動(dòng)力總成實(shí)驗(yàn)分析法：一方面可以直接測(cè)量振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，并進(jìn)行分析以了解機(jī)械振動(dòng)的特性，稱振動(dòng)分析。另一方面用已知振源去激勵(lì)研究對(duì)象，并測(cè)取響應(yīng)以了解系統(tǒng)的特性，稱系統(tǒng)識(shí)別，其步驟如下：選激振源，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)分析，研究測(cè)點(diǎn)，布置傳感器，測(cè)取信號(hào)，進(jìn)行分析處理，對(duì)分析作結(jié)論；動(dòng)力總成振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真：其對(duì)動(dòng)力總成實(shí)體建立模型，并選取材料之后進(jìn)行分析，通過(guò)改變傳遞系統(tǒng)的初始條件來(lái)分析動(dòng)力總成響應(yīng)的變化規(guī)律，從而制定出最佳狀態(tài)的隔振和減振措施。

在動(dòng)力總成懸置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的研究工作，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨著材料、工業(yè)控制技術(shù)、加工工藝及相關(guān)減振技術(shù)的發(fā)展，各種新型的內(nèi)燃機(jī)懸置系統(tǒng)層出不窮，滿足了各式動(dòng)力總成系統(tǒng)在減振性能上不同的要求，比如鋼絲網(wǎng)懸置、鋼絲繩懸置、液汽懸置、電流變懸置、磁流變懸置、壓電材料懸置、電磁懸置及其各種類型的懸置[25-27]。

但是，內(nèi)燃機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化也有其局限性，大部分的研究?jī)H考慮模擬成線性剛度和阻尼的彈性懸架系統(tǒng)的優(yōu)化，如Suresh等用液壓懸架來(lái)優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)懸置系統(tǒng)，考慮了液壓懸置的線性從屬頻率、阻尼特性，而沒(méi)有考慮彈性懸置的非線性剛度、阻尼和從屬頻率。正如Rivin所指出的那樣，在懸置剛度中，內(nèi)燃機(jī)總重、重心的位置與實(shí)際車輛的慣性運(yùn)動(dòng)存在很大的偏差，它們的偏差將大大影響內(nèi)燃機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果，并導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受到限制。

2 內(nèi)燃機(jī)總成的模態(tài)分析

機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)特性，主要決定于系統(tǒng)本身的慣性、彈性和阻尼。實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)的這些性質(zhì)都是比較復(fù)雜的，為了能運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對(duì)它們的振動(dòng)特性進(jìn)行分析計(jì)算，需要將實(shí)際系統(tǒng)作一定程度的簡(jiǎn)化：忽略次要因素，簡(jiǎn)化其質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)的性質(zhì)和分布規(guī)律，建立起既能反映實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性又有可能進(jìn)行計(jì)算的動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)一個(gè)實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，建立的模型越復(fù)雜，越能接近實(shí)際情況，也越能進(jìn)行逼真的模擬，但往往使分析困難；建立模型越簡(jiǎn)單，分析越容易，但得到的結(jié)果可能不精確。建立的模型中，總是在求得簡(jiǎn)化表達(dá)和逼真模擬二者之間的折衷。

因此本文根據(jù)實(shí)際內(nèi)燃機(jī)總成主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用專業(yè)軟件建立三維6自由度模型，利用有限元分析法，得到內(nèi)燃機(jī)總成的模態(tài)，從而為進(jìn)一步減振降噪奠定基礎(chǔ)[37]。

2.1 內(nèi)燃機(jī)總成實(shí)體模型的建立

2.2.1 內(nèi)燃機(jī)總成在車架上的支撐

為了減少內(nèi)燃機(jī)總成振動(dòng)對(duì)車架的影響，內(nèi)燃機(jī)總成大都是用彈性支撐安裝在車架上的?？偝傻膹椥灾尾捎孟鹉z懸置，安裝它時(shí)，一端安裝在車架上，一端安裝在動(dòng)力總成上。橡膠墊在空間三維上都有彈性，由于動(dòng)力總成的各點(diǎn)位置相距較遠(yuǎn)，故常略去支撐墊的扭轉(zhuǎn)彈性，而把橡膠懸置簡(jiǎn)化沿空間三個(gè)有彈性軸的彈簧，此三軸稱為橡膠墊的彈性主軸分別用p，q，r來(lái)表示。

若把內(nèi)燃機(jī)總成的振動(dòng)當(dāng)作自由振動(dòng)分析時(shí)，阻尼可略去，常把橡膠墊假設(shè)為一種無(wú)阻尼的線性彈簧元件，于是內(nèi)燃機(jī)總成懸置系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)化為如圖2-2所示的力學(xué)模型，并設(shè)定車架為絕對(duì)剛體，具有無(wú)限質(zhì)量，其位置可用質(zhì)心O的3個(gè)直角坐標(biāo)X、Y、Z以及饒過(guò)質(zhì)心平行于定坐標(biāo)軸的3個(gè)動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)角來(lái)θX、θY、θZ表示，因而內(nèi)燃機(jī)總成具有6個(gè)自由度。

2.2.2 內(nèi)燃機(jī)總成實(shí)體模型的建立endprint

系統(tǒng)之所以會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，從外部條件看是因?yàn)橄到y(tǒng)受到了外界的激勵(lì)，從內(nèi)部條件看是由于系統(tǒng)具有質(zhì)量和彈性。從能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看，外界對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)就是對(duì)系統(tǒng)做功，這個(gè)功被儲(chǔ)存到系統(tǒng)中，其中一部分轉(zhuǎn)化為質(zhì)量塊的動(dòng)能；另一部分轉(zhuǎn)化為彈性件的變形勢(shì)能。反復(fù)振動(dòng)過(guò)程就激勵(lì)功、動(dòng)能和勢(shì)能之間的不斷轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)沒(méi)有阻尼，只要給系統(tǒng)以初始激勵(lì)，振動(dòng)就一直延續(xù)下去；若系統(tǒng)具有阻尼，而系統(tǒng)又沒(méi)有持續(xù)的從外界獲得能量，振動(dòng)將在經(jīng)歷一段時(shí)間之后中將停止。由此可見(jiàn)，激勵(lì)、質(zhì)量、彈性和阻尼是振動(dòng)系統(tǒng)的四大要素。因此從實(shí)際的機(jī)械簡(jiǎn)化出的理想的力學(xué)模型要確切反映其物理過(guò)程的話，就要確定這四個(gè)要素。本章就是應(yīng)用模態(tài)分析法把內(nèi)燃機(jī)這個(gè)多自由度系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)。由此求出系統(tǒng)的固有頻率、振型。

根據(jù)實(shí)際內(nèi)燃機(jī)總成主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用專業(yè)軟件，建立三維實(shí)體模型如圖1所示。尺寸是按實(shí)際缸體相當(dāng)?shù)撵o撓度選定的。以四塊長(zhǎng)方形平板組成的長(zhǎng)方體代表離合器及變速器部分，連接在缸體的一端。在缸體一端的兩個(gè)端點(diǎn)處各以一個(gè)彈簧支撐，在變速箱的一端的中點(diǎn)處以一個(gè)彈簧支撐。模擬實(shí)際三點(diǎn)支撐的內(nèi)燃機(jī)總成中的橡膠懸置。靜應(yīng)力分析的傳動(dòng)軸材料選為普通各向同性鋼。具體參數(shù)為：彈性模量2.68E+008N/m；泊松比0.29；剪切模量8.0155E+007N/m。與內(nèi)燃機(jī)總成相關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)為：動(dòng)力總成的質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，垂直于缸體表面向上為Z軸，沿汽車前進(jìn)方向?yàn)閄，按右手定則確定Y。

2.2.3 內(nèi)燃機(jī)總成網(wǎng)格的劃分

一般來(lái)說(shuō)，有限元分析的單元?jiǎng)澐钟腥N：實(shí)體單元、板單元、梁?jiǎn)卧?。?shí)體單元是與實(shí)際結(jié)構(gòu)最為接近的建模方式，這種單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型各節(jié)點(diǎn)所受的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎矩等參數(shù)的求解。但是這種單元建立的模型在求解時(shí)矩陣方程計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，而且計(jì)算累計(jì)誤差大。因此對(duì)于一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，如薄板件、筋板、桿狀結(jié)構(gòu)等，普遍采用簡(jiǎn)化的單元類型，即板單元和梁?jiǎn)卧M(jìn)行處理。其好處是在基本符合實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，最大限度的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少計(jì)算量，使奇異矩陣出現(xiàn)的幾率大幅度降低，對(duì)提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也有幫助。

內(nèi)燃機(jī)的主體部分由氣缸體構(gòu)成，可以將內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)化為內(nèi)部有若干空腔的殼體，空腔的數(shù)目與內(nèi)燃機(jī)的氣缸數(shù)相同?？涨婚g的隔板尺寸由試驗(yàn)確定，即用簡(jiǎn)化后的內(nèi)燃機(jī)作振動(dòng)試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際內(nèi)燃機(jī)作的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。這樣，可以用板單元建立內(nèi)燃機(jī)有限元模型。

采用線性四邊形板單元對(duì)內(nèi)燃機(jī)總成模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的模型如圖2所示。

3 內(nèi)燃機(jī)總成的各階模態(tài)分析

在本文中，將內(nèi)燃機(jī)與車架相連，并將其定義為一個(gè)待分析的系統(tǒng)，假定車架為無(wú)限質(zhì)量的剛體，故車架可等效為地面，內(nèi)燃機(jī)與車架通過(guò)三個(gè)彈性元件相連，彈性元件的支撐位置、支撐剛度和支撐角度在相續(xù)章節(jié)給出。

通過(guò)對(duì)動(dòng)力總成的模態(tài)分析，可以得到每一階固有振動(dòng)的頻率以及在這種頻率下的振動(dòng)形式，從而可以確定何種頻率及形式的載荷會(huì)對(duì)這一固有頻率產(chǎn)生激振。分析的結(jié)果見(jiàn)表1。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際內(nèi)燃機(jī)總成主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用專業(yè)軟件建立了具有六自由度的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的三維動(dòng)力學(xué)模型，并利用軟件進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分，得到振動(dòng)系統(tǒng)的6階模態(tài)。

（2）通過(guò)模態(tài)分析，得到各階模態(tài)的振動(dòng)規(guī)律為：隨著內(nèi)燃機(jī)固有頻率的增加，內(nèi)燃機(jī)整體上依次表現(xiàn)為側(cè)向移動(dòng)；垂直方向的移動(dòng)；前后方向上的移動(dòng)；水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)；俯仰運(yùn)動(dòng)；側(cè)翻運(yùn)動(dòng)。有了這些運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)就為進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析打了基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Yu Yunhe，Naganathan Nagi G..A Literature Review of Automotive Vehicle Engine Mounting Systems.Mechanism and Machine Theory.2001，36（1）.

[2]Usuda Shigehiro，Otsuka Masaya，Nagata Masahisa. Noise and Vibration Reduction of Newly Developed 3.0l Direct Injection Diesel Engine.JSAE Review.2002，23（3）.

[3]Antoni J，Daniere J，Guillet F and Randall R. B. Effective Vibration Analysis of Ic Engines Using Cyclostationarity Part Ii—New Results on the Reconstruction of the Cylinder Pressures. Journal of Sound and Vibration 2002，257（5）.

[4]D.H Lee， W.S Hwang and C.M Kim. Design Sensitivity Analysis and Optimization of an Engine Mount System Using an Frf-Based Substructuring Method. Journal of Sound and Vibration .2002，255（2）.

[5]Aoyama Takayuki，Kawamoto Atsushi. Analysis of Noise Occurrence by Cavitation in The Main Bearing of Diesel Engine. JSAE Review 2003，24（1）.

[6]樊興華，陳金玉.發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì).重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2007，（6）.

[7]楊壽藏，陳云彪.現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)—平衡和振動(dòng)（2）.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造.2013，103（2）.endprint