發(fā)動機振動特性分析與試驗
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眾所周知，發(fā)動機NVH是個復(fù)雜的概念，包括發(fā)動機的振動、噪聲以及個體對振動和噪聲的主觀評價等?？陀^地說，噪聲與振動也相互聯(lián)系，因為發(fā)動機一部分噪聲由結(jié)構(gòu)表面振動直接輻射，另一部分由發(fā)動機燃燒和進排氣通過空氣傳播。除此之外，發(fā)動機附件（如風(fēng)扇）也存在噪聲貢獻。本文僅考慮發(fā)動機結(jié)構(gòu)振動問題，即在主軸承載荷、燃燒爆發(fā)壓力和運動件慣性力的作用下，對發(fā)動機結(jié)構(gòu)振動進行分析以及與試驗的對比。發(fā)動機結(jié)構(gòu)噪聲的激勵源主要包括燃燒爆發(fā)壓力、氣門沖擊、活塞敲擊、主軸承沖擊、前端齒輪/鏈驅(qū)動和變速器激勵等，這些結(jié)構(gòu)振動又通過缸蓋罩、缸蓋、缸體和油底殼等傳出噪聲。
發(fā)動機結(jié)構(gòu)振動分析方法簡介
圖1 發(fā)動機結(jié)構(gòu)振動分析方法
1. 動力總成FE建模及模態(tài)校核
建立完整的短發(fā)動機和變速器裝配的有限元模型；對該有限元模型進行模態(tài)分析，通過分析結(jié)果判斷各零件間連接是否完好；通過分析結(jié)果判斷動力總成整體模態(tài)所在頻率范圍是否合理，零部件的局部模態(tài)頻率是否合理，若存在整體或局部模態(tài)不合理的情況，需要對結(jié)構(gòu)進行初步更改或優(yōu)化。
2. 動力總成模態(tài)壓縮
縮減有限元模型，得到動力總成的剛度、質(zhì)量、幾何以及自由度信息，用于多體動力學(xué)分析。
3. 運動件簡化模型建立
發(fā)動機中的部分動件不用進行有限元建模，可作簡化處理，形成梁-質(zhì)量點模型，用于多體動力學(xué)分析。其中包括：活塞組、連桿組和曲軸及其前后端。
4. 動力總成多體動力學(xué)分析
在定義了動力總成各零部件間連接并且已知各種載荷的情況下，對動力總成進行時域下的多體動力學(xué)分析，并對得到的發(fā)動機時域和頻域下的動態(tài)特性進行評判，同時，其輸出用于結(jié)構(gòu)振動分析。
5. 動力總成結(jié)構(gòu)振動分析
基于多體動力學(xué)分析結(jié)果，對整個動力總成有限元模型進行強迫振動分析，得到發(fā)動機本體、變速器以及各種外圍件的表面振動特性，進行評判和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
實例分析
1. 分析對象
以一款成熟的直列四缸1.5L發(fā)動機為平臺，針對其結(jié)構(gòu)振動問題，對其進行結(jié)構(gòu)振動CAE分析，并與其臺架試驗結(jié)果相比較。發(fā)動機的部分參數(shù)如下：缸徑75mm，沖程85mm，缸間距84mm，最大缸壓6MPa。
2. 坐標(biāo)定義
為了便于以后敘述，對動力總成進行了坐標(biāo)定義（見圖2）。
圖2 動力總成坐標(biāo)系
整個動力總成包括42萬節(jié)點和54萬單元。其中，缸體、缸蓋和缸蓋罩為六面體單元；油底殼、進排氣歧管為四邊形殼單元；變速器及支架為二階四面體單元；其他外圍零件則簡化為質(zhì)量點，并通過梁單元與機體相連。圖3為其有限元模型，模態(tài)分析結(jié)果和試驗結(jié)果如表所示。
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