摘 "要:針對(duì)道路耐久過(guò)程中碳罐支架開(kāi)裂問(wèn)題,先測(cè)試了碳罐支架的固有頻率和道路路譜,然后采用有限元進(jìn)行模態(tài)和受迫振動(dòng)分析,最終分析出:碳罐支架在X方向上固有頻率與路面激勵(lì)的共振,是其支架開(kāi)裂的主要原因。通過(guò)提升車(chē)架橫梁的剛度,從而提高碳罐支架的模態(tài),順利解決該開(kāi)裂故障,不僅避免了碳罐支架的模具報(bào)廢,還降低了研發(fā)成本和時(shí)間成本。該故障整改思路對(duì)于今后汽車(chē)支架的開(kāi)裂整改提供了一條快速低成本整改的方法。
關(guān)鍵詞:碳罐支架;模態(tài);振動(dòng);開(kāi)裂
中圖分類(lèi)號(hào):TH122 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A " " "文章編號(hào):1005-2550(2022)05-0052-06
Fault Rectification Analysis of Carbon Canister Bracket Based on Modal Lifting
LI Liang
(Jiangling Motors Corporation Limited Company, Nanchang 330200, China)
Abstract: In view of the cracking of the carbon canister bracket during the road durabilityprocess, the natural frequency and road spectrum of the carbon canister bracket were tested, and then the modal and forced vibration "were analyzed by the finite element method. Finally, it was concluded that the resonance between the natural frequency of the carbon canister bracket and the road excitation in the X directionwas the main reason for the cracking of the carbon canister bracket.By increasing the rigidity of the transverse frame, the mode of the carbon canister bracketwas increasedand the cracking fault was solvedsuccessfully, which not only avoided the scrapping of the mold of carbon canister bracket, but also reduced the Ramp;D cost and time cost. The fault rectification idea provides a rapid and low-cost method for the crack rectification of automobile bracket in the future.
Key "Words: Carbon Canister Bracket; Mode; Vibration; Crack
引 " 言
近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)家城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展和汽車(chē)保有量的快速增加,全國(guó)大部分城市PM2.5激增,城市空氣環(huán)境日益惡劣[1]。隨著國(guó)家對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格,汽車(chē)尾氣排放尾氣占污染物的比例越來(lái)越少,而油箱內(nèi)和化油器等產(chǎn)生的有機(jī)化合污染物越來(lái)越成為城市PM2.5居高不下的主要污染物之一[2,3]。
2016年底,環(huán)保部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布GB 18352.6-2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》,國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定:汽車(chē)在加油過(guò)程中產(chǎn)生的油蒸汽只能通過(guò)碳罐收集,且明確要求2020年7月1號(hào)起全國(guó)實(shí)施。故現(xiàn)有汽車(chē)將按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制安裝碳罐支架。
碳罐是汽油車(chē)燃油系統(tǒng)的重要部件,是蒸發(fā)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性的部件,其主要作用是利用碳罐中的碳粉對(duì)揮發(fā)的燃油蒸汽進(jìn)行吸附,再利用發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓,將碳罐內(nèi)碳粉吸附的汽油蒸汽進(jìn)行脫附,被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入進(jìn)氣管進(jìn)行燃燒,避免了燃油蒸汽逃逸到空氣導(dǎo)致空氣污染。碳罐吸附和脫附量在降低汽車(chē)燃油污染物排放中起主要作用[4,6]。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),某國(guó)六SUV車(chē)增加碳罐支架設(shè)計(jì),但在耐久路試研發(fā)階段,出現(xiàn)碳罐支架開(kāi)裂問(wèn)題,需要基于有限元仿真技術(shù),分析出碳罐支架開(kāi)裂原因,并給出優(yōu)化建議進(jìn)行故障整改。
對(duì)于道路耐久路試支架開(kāi)裂問(wèn)題,如葛緒坤[7]等針對(duì)蓄電池支架開(kāi)裂,分析出其一階模態(tài)過(guò)低與路面發(fā)生共振開(kāi)裂,通過(guò)增加中部安裝支架、托盤(pán)起筋和增加翻邊等措施進(jìn)行故障整改。寧厚于[8]等人通過(guò)有限元方法分析出支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,通過(guò)對(duì)直接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)行故障整改。聶鵬[9]等人通過(guò)對(duì)汽車(chē)ABS閥支架增加一條筋措施,避開(kāi)共振,解決支架斷裂失效問(wèn)題。上述文獻(xiàn),對(duì)于支架故障開(kāi)裂也提到支架總成共振問(wèn)題,其整改途徑多是對(duì)支架進(jìn)行增加厚度、提升材料型號(hào)或者重新設(shè)計(jì)和修改支架等措施,但這往往造成原有支架模具的報(bào)廢和新模具的開(kāi)發(fā),對(duì)汽車(chē)研發(fā)的研發(fā)成本和時(shí)間成本帶來(lái)重大挑戰(zhàn),不利于汽車(chē)快速的研發(fā)。
針對(duì)某碳罐支架的開(kāi)裂,利用有限元技術(shù)分析出碳罐支架開(kāi)裂的原因,在保持原有碳罐支架結(jié)構(gòu)不變的前提下,通過(guò)碳罐支架附近的橫梁焊接一塊鈑金,提高碳罐總成的整體模態(tài),從而避免碳罐支架與耐久路面的共振,既不增加任何模具開(kāi)發(fā)成本,又節(jié)約大量整改時(shí)間,快速高效的解決該開(kāi)裂故障問(wèn)題。
1 " "初步分析
(1)固有頻率
固有頻率是結(jié)構(gòu)最重要的屬性之一,由結(jié)構(gòu)的材料分布、形狀等決定,與外界載荷或者激勵(lì)無(wú)關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)件的某階固有頻率與外界載荷或者激勵(lì)的頻率接近時(shí),該結(jié)構(gòu)件會(huì)有較大振動(dòng)振幅,即共振現(xiàn)象[10]。
汽車(chē)在行駛過(guò)程中,路面的激勵(lì)是無(wú)法避免的,共振是現(xiàn)在汽車(chē)故障開(kāi)裂的重要原因[11]。故在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)件的固有頻率進(jìn)行考慮,分析其固有頻率。通常的解決方法是對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)變更,讓結(jié)構(gòu)件的固有頻率與激勵(lì)源的頻率錯(cuò)開(kāi),避免共振。
在測(cè)試結(jié)構(gòu)件的模態(tài)上,通常采用敲擊激振法試驗(yàn)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試,以分析出結(jié)構(gòu)件的固有頻率[12]。通過(guò)敲擊法,以實(shí)車(chē)裝配狀態(tài)下的碳罐支架作為試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件,敲擊車(chē)架橫梁讓碳罐支架做受迫振動(dòng),通過(guò)測(cè)試碳罐支架上受迫振動(dòng)響應(yīng)圖像,來(lái)測(cè)試碳罐支架的固有頻率。
某車(chē)型碳罐支架敲擊而受迫振動(dòng)頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)如圖1所示,從受迫頻響函數(shù)圖像表明:碳罐支架的一階固有頻率在29.96Hz,陣型為X方向;二階固有頻率為86.74Hz,陣型為Y方向。
(2)路面激勵(lì)頻率
為準(zhǔn)確找到該碳罐支架開(kāi)裂的原因,對(duì)該開(kāi)裂的碳罐支架車(chē)輛進(jìn)行道路耐久路譜采集。采集點(diǎn)布置在懸掛碳罐支架車(chē)架橫梁附近,采集點(diǎn)的位置如圖2所示。
將采集的加速度信號(hào)為時(shí)域信號(hào),利用傅里葉轉(zhuǎn)換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域下的振動(dòng)信號(hào),如圖3所示,以便分析道路路面激勵(lì)頻率[13]。通過(guò)頻域信號(hào)可知:碳罐支架附近的加速度在X-Y-Z三個(gè)方向上受到的振動(dòng)幅值不同,但其受迫激勵(lì)的頻率范圍均在25Hz~40Hz之間。
結(jié)合碳罐支架測(cè)試出的固有頻域和道路路譜初步分析表明:碳罐支架X方向的一階頻率29.96Hz恰好處于道路路譜X方向峰值30Hz附近,且最大振動(dòng)超過(guò)3g,在X方向上碳罐支架存在于道路路面的共振的風(fēng)險(xiǎn)。
2 " "有限元分析
(1)有限元建模
碳罐通過(guò)支架固定在車(chē)架后端的橫梁上,其空間安裝位置如圖4所示。
為了將碳罐固定在車(chē)架橫梁上,碳罐支架由5個(gè)支架構(gòu)成:過(guò)渡支架、前后主支架和左右輔支架。過(guò)渡支架通過(guò)端面的孔與車(chē)架橫梁孔螺栓連接,翻邊與碳罐前后的主支架點(diǎn)焊連接,左右的輔支架與前后主支架進(jìn)行點(diǎn)焊焊接,增強(qiáng)整個(gè)支架的剛度。在有限元建模中,對(duì)于鈑金件,均進(jìn)行shell網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸采用4mm;因?yàn)樘脊迌?nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)略,將其外殼進(jìn)行solid實(shí)體網(wǎng)格,然后根據(jù)碳罐的實(shí)際重量對(duì)其賦予重量,據(jù)此建立碳罐總成有限元模型,如圖5所示:
(2)模態(tài)分析
模態(tài)分析是一種利用有限元的技術(shù)分析結(jié)構(gòu)件的固有頻率和振型的分析方法[14]。目前常用的模態(tài)分析模型為Block Lanczos法,其分析結(jié)構(gòu)件固有頻率的自由振動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為公式(1)。
(1)
通過(guò)自由振動(dòng)方程得出其模態(tài)特征值ω為:
(2)
式中:[M]為質(zhì)量矩陣;[K]為剛度矩陣;{q}為位移向量;
首先,對(duì)碳罐支架進(jìn)行有限元模態(tài)分析,分析其碳罐的安裝在車(chē)架狀態(tài)下的固有頻率,其前兩階級(jí)模態(tài)結(jié)果,如圖6所示。
碳罐支架測(cè)試模態(tài)和有限元分析模態(tài)分析結(jié)果,如表1所示。由表1可知,通過(guò)有限元仿真獲取該碳罐支架一階頻率為29.14Hz,陣型為X方向,與測(cè)試的碳罐支架X方向的一階模態(tài)29.98Hz接近,驗(yàn)證了該碳罐支架建模及其仿真的精確性。
(3)強(qiáng)度分析
汽車(chē)在行駛過(guò)程中,不斷承受路面的激勵(lì)而作受迫的振動(dòng),汽車(chē)上支架受迫振動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為:
(3)
式中:[C]為阻尼矩陣;F(t)為路面激勵(lì)。
對(duì)于受迫振動(dòng)強(qiáng)度分析,首先應(yīng)保證其模型建模模態(tài)的準(zhǔn)確性。將對(duì)標(biāo)過(guò)模態(tài)的碳罐支架的有限元模型進(jìn)行受迫振動(dòng)強(qiáng)度分析,路面激勵(lì)采用實(shí)測(cè)的路譜,分析結(jié)果如表2所示:
強(qiáng)度分析結(jié)果表明:整個(gè)碳罐支架最大的應(yīng)力290.8MPa,超過(guò)其材料屈服235MPa;同時(shí)最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在過(guò)渡支架開(kāi)裂的螺栓孔附近,如圖7所示,與道路耐久過(guò)渡支架兩個(gè)開(kāi)裂的位置剛好吻合,如圖8所示。由此可知,碳罐支架在X方向的固有頻率與路面激勵(lì)發(fā)生共振,導(dǎo)致其過(guò)渡支架兩個(gè)螺栓孔發(fā)生開(kāi)裂。
3 " "故障整改
通過(guò)路譜路譜、測(cè)試模態(tài)、有限元的模態(tài)和強(qiáng)度分析結(jié)果得知:碳罐支架開(kāi)裂原因是碳罐支架懸掛在車(chē)架橫梁上,在X方向上的固有頻率與道路耐久路譜振動(dòng)頻率接近共振導(dǎo)致的。故解決該故障的關(guān)鍵是提升X方向上碳罐支架的剛度,提升固有頻率。
在模態(tài)分析過(guò)程中,應(yīng)變能密度高的地方往往是提升結(jié)構(gòu)固有頻率的關(guān)鍵部位[15]。根據(jù)碳罐支架開(kāi)裂狀態(tài)模態(tài)分析應(yīng)變能云圖,如圖9可知,車(chē)架橫梁的應(yīng)變能明顯高于碳罐支架的應(yīng)變能,車(chē)架的剛度過(guò)于弱導(dǎo)致碳罐支架安裝狀態(tài)下的整體一階固有頻率低,故提升碳罐支架總成的關(guān)鍵是提升車(chē)架橫梁上的剛度。
故優(yōu)化方案:在車(chē)架橫梁上表面根據(jù)橫梁走勢(shì)點(diǎn)焊一個(gè)2mm厚度鈑金,使得車(chē)架橫梁上下面閉合,從而增強(qiáng)車(chē)架橫梁的剛度,提升碳罐支架的固有頻率,新增鈑金總重量為0.27Kg,方案如圖10所示:
按照上述優(yōu)化方案進(jìn)行建模,從新進(jìn)行模態(tài)和受迫振動(dòng)強(qiáng)度分析,分析結(jié)果如圖11和圖12所示。由圖11可知,優(yōu)化方案的一階模態(tài)為40.37Hz,已經(jīng)超過(guò)道路路譜共振帶的上限40Hz,模態(tài)達(dá)標(biāo);由圖12可知,對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最大值依然出現(xiàn)在過(guò)渡支架的螺栓孔附近,但其最大的應(yīng)力為57.9MPa,遠(yuǎn)低于材料屈服235MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求。
將采用優(yōu)化方案將車(chē)架橫梁上表面增加鈑金,同時(shí)重新安裝全新的碳罐支架,重新進(jìn)行道路耐久試驗(yàn)。最終,優(yōu)化方案順利通過(guò)道路耐久試驗(yàn),碳罐支架未發(fā)生新的開(kāi)裂失效,證明了該優(yōu)化方案的有效性。
4 " "結(jié)論
通過(guò)有限性模態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析,得出碳罐支架在X方向上的與路面共振是導(dǎo)致其支架開(kāi)裂的主要原因,并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行故障整改,順利解決該故障問(wèn)題。通過(guò)該分析得出以下結(jié)論:
(1)支架低階固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離路面共振頻率帶,避免發(fā)生共振失效;
(2)根據(jù)模態(tài)分析的應(yīng)變能的云圖分布,在應(yīng)變能密度高的地方進(jìn)行支架的加強(qiáng),是一種十分有效的提升固有頻率的方法;
(3)對(duì)于故障開(kāi)裂問(wèn)題的整改,應(yīng)盡量避免原有支架模具的報(bào)廢,以避免增加研發(fā)成本和時(shí)間成本;
參考文獻(xiàn):
[1]張春梅,呂雙春,宋志輝,等.城市PM2.5治理下機(jī)動(dòng)車(chē)保有量研究[J].公路與汽運(yùn),2014(05):30-33.
[2]李銀濤,趙楠.日趨嚴(yán)格的尾氣排放限值下的燃料選擇及分析[J].船舶,2020,31(05):111-120.
[3]陳鵬,張?jiān)拢瑥埩?,?汽車(chē)維修行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放特征及大氣化學(xué)反應(yīng)活性[J].環(huán)境科學(xué),2021,42(08):3604-3614.
[4]張帆,羅宏錦,胡德勇.文丘里管對(duì)空濾進(jìn)氣系統(tǒng)的流體性能影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2020(12):26-28.
[5]李旋坤,司知蠢,劉麗萍,翁端,吳曉東,冉銳,康飛宇.碳罐用活性炭的制備及應(yīng)用進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2016,34(09):86-95.
[6]周祥云,張磊,黃敬鋒,肖亮.基于國(guó)六法規(guī)的碳罐脫附流量對(duì)蒸發(fā)排放性能的影響[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020(02):78-80.
[7]葛緒坤,吳澤勛,王德遠(yuǎn),韓旭,楊龍寶.某蓄電池支架開(kāi)裂分析和優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2019,28(04):64-67.
[8]寧厚于,郭文天,靳凱,王遠(yuǎn). 某車(chē)輛液壓油箱支架焊縫開(kāi)裂及改進(jìn)分析[J]. 汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2022,47(06):47-51.
[9]聶鵬,鐘自鋒.某ABS閥支架振動(dòng)疲勞分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2019,35(02):36-40.
[10]寧寶奇. 軸流轉(zhuǎn)子葉片中高頻模態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[D]. 東北大學(xué), 2019.
[11]韓宗斌. 汽車(chē)排氣系統(tǒng)多孔共振式消聲器的設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)科技,2022(01):62-65.
[12]張令彌,周蒂蓮. 敲擊激振法測(cè)試玻璃鋼槳葉振動(dòng)模態(tài)[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1983(01):107-114.
[13]趙群. 織物表面特性與觸摸振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系[D]. 東華大學(xué), 2014.
[14]石光林,林家祥,王海波. ZL50型輪式裝載機(jī)焊接驅(qū)動(dòng)橋殼振動(dòng)模態(tài)分析[J]. 工程機(jī)械,2009,40(09):20-22+2.
[15]王良模,王文源,張一京,等. 基于模態(tài)分析的某越野車(chē)動(dòng)力總成殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,39(03):358-362.
李 " 亮
畢業(yè)于對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué),碩士學(xué)歷,現(xiàn)就職于江鈴汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院,任高級(jí)工程師,主要研究領(lǐng)域?yàn)檐?chē)型規(guī)劃和整車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā),已發(fā)表論文2篇。
專(zhuān)家推薦語(yǔ)
肖余芳
東風(fēng)公司技術(shù)中心
試制技術(shù)與工藝研究高級(jí)工程師
本文對(duì)碳罐支架開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了全面的分析,通過(guò)仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)對(duì)比,推斷出問(wèn)題發(fā)生的原因,再根據(jù)原因采取相應(yīng)對(duì)策,最后進(jìn)行效果驗(yàn)證,解決了開(kāi)裂故障。整個(gè)文章論點(diǎn)明確,論據(jù)可靠,結(jié)論正確,對(duì)策簡(jiǎn)單易行,為研發(fā)節(jié)省了時(shí)間和成本,對(duì)后續(xù)研發(fā)有一定的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,有一定的實(shí)用性。