某汽油機(jī)減振器的分析與設(shè)計(jì)

張虎，左云

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

某汽油機(jī)減振器的分析與設(shè)計(jì)

張虎1，左云2

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的橡膠過熱導(dǎo)致的失效問題，通過仿真法對(duì)減振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并重新匹配減振器頻率。計(jì)算結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致。結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低了減振器工作溫度，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)。

減振器橡膠老化扭振分析AⅤL EXCⅠTE扭轉(zhuǎn)角

1 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸系振動(dòng)是動(dòng)力總成振動(dòng)和噪聲的主要激勵(lì)源，而扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則是危害最大的振動(dòng)問題。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的不斷提高，曲軸的工作條件越來越苛刻，扭振問題也越來越重要；同時(shí)整車舒適性的高要求，也使得曲軸系扭振問題不斷凸顯。

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)軸系的扭振特性進(jìn)行計(jì)算分析，以確定其臨界轉(zhuǎn)速、振型、振幅、扭振應(yīng)力以及是否需要采取減振措施[1]。

EXCⅠTE Designer是一款專門針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的非線性多體動(dòng)力學(xué)軟件。以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸系進(jìn)行載荷分析、潤滑分析、扭振分析和強(qiáng)度分析。分析時(shí)將曲軸離散成集中質(zhì)量點(diǎn)（含質(zhì)量和慣量），它們之間使用彈性單元連接，計(jì)入結(jié)構(gòu)剛度和材料阻尼[2]。

2 試驗(yàn)故障與解決方法

我公司新開發(fā)了一款排量為2.0 L的直列四缸缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)，采用雙ⅤⅤT技術(shù)（可變進(jìn)排氣氣門正時(shí)），附帶平衡軸。在進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)曲軸減振器失效。分析故障原因發(fā)現(xiàn)，由于該機(jī)型減振器橡膠壓縮率過大，且減振器為內(nèi)置式，導(dǎo)致橡膠工作溫度過高，加速了橡膠老化，最終導(dǎo)致減振器失效。故障痕跡見圖1。使用熱成像儀對(duì)減振器工作溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，減振器工作溫度最大為94℃，而正常工作溫度在70℃左右。為了降低橡膠工作溫度，減緩橡膠老化，決定對(duì)現(xiàn)狀態(tài)減振器進(jìn)行優(yōu)化，采用散熱性能更好的外置式減振器。

圖1 減振器故障照片

圖2 減振器工作溫度測(cè)試結(jié)果

3 減振器匹配與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 減振器匹配

為降低減振器的工作溫度，采用散熱性能更好的慣量環(huán)外置的布置方案。減振器慣量環(huán)的慣量保持不變，仍為3.02 t·mm2，定調(diào)比在0.8～0.9范圍內(nèi)，減振效果較好。無減振器時(shí)曲軸系一階扭轉(zhuǎn)頻率為508 Hz，故選擇減振器頻率為420±30 Hz。

3.2 不同頻率下減振器的扭轉(zhuǎn)振幅

為驗(yàn)證本次減振器匹配效果，制作不同頻率的減振器進(jìn)行扭振測(cè)試。試驗(yàn)策劃時(shí)，選擇了3種方案，即：（1）方案1——減振器頻率為386 Hz；方案2——減振器頻率為427 Hz；方案3——減振器頻率為450 Hz。

386 Hz的減振器工作溫度如圖3所示。由圖3可知，更改為外置式減振器后，工作溫度最高為74℃，相比內(nèi)置式減振器，工作溫度明顯降低。方案2與方案3的工作溫度與方案1的基本一致。

分析各減振器測(cè)試數(shù)據(jù)，查看測(cè)試數(shù)據(jù)是否合理。方案1減振器扭轉(zhuǎn)角如圖4所示。

圖3 方案1減振器慣量環(huán)工作溫度

圖4方案1減振器輪轂各階扭轉(zhuǎn)角

圖4 中箭頭所標(biāo)位置為6階5 100 r/min處的扭轉(zhuǎn)角。查看整體轉(zhuǎn)速范圍6階扭轉(zhuǎn)角的走勢(shì)，可認(rèn)為此處峰值為測(cè)試異常引起，不能作為仿真數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。其余鋸齒形數(shù)據(jù)為測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)引起，屬于正常情況。

方案1慣量環(huán)的各階扭轉(zhuǎn)角如圖5所示，其余方案的減振器輪轂扭轉(zhuǎn)角如圖6和圖7所示。

圖5 方案1減振器慣量環(huán)各階扭轉(zhuǎn)角

圖6 方案2減振器輪轂各階扭轉(zhuǎn)角

圖7 方案3減振器輪轂各階扭轉(zhuǎn)角

4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1 仿真模型的校正

仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的前提是仿真模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?。在本次試?yàn)過程中，曲軸前端安裝1個(gè)60齒的刻度盤，飛輪則采用臺(tái)架試驗(yàn)用的工藝飛輪，并通過鋼制連接盤與測(cè)功機(jī)相連接。在建立仿真模型時(shí)，須考慮這些外部影響條件。將刻度盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加至輪轂，將連接盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加至飛輪，即為本次試驗(yàn)臺(tái)架的仿真模型。其EXCⅠTE模型參見圖8，其中曲軸模型見圖9。

圖8 曲軸多體動(dòng)力學(xué)模型

圖9 曲軸模型

圖10 方案1曲軸系扭轉(zhuǎn)模態(tài)

曲軸的一階扭轉(zhuǎn)頻率為384.7 Hz（圖10），與試驗(yàn)值380.9 Hz一致。因此認(rèn)為本曲軸模型準(zhǔn)確，可進(jìn)行下一步工作。曲軸的2階和3階扭轉(zhuǎn)頻率分別為586.6 Hz和1 456.5 Hz。

4.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

使用上述曲軸模型，對(duì)方案1減振器扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比。輪轂的各階扭轉(zhuǎn)角與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖11所示，慣量環(huán)的各階扭轉(zhuǎn)角與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖12所示。

圖11 方案1減振器輪轂各階扭轉(zhuǎn)角

圖12 方案1減振器慣量環(huán)各階扭轉(zhuǎn)角

由圖11和圖12可知，輪轂和慣量環(huán)的各階扭轉(zhuǎn)角試驗(yàn)值與仿真值不僅在整體趨勢(shì)上一致，而且幅值誤差在10%以內(nèi)，可認(rèn)為仿真結(jié)果與試驗(yàn)值一致。這說明本減振器曲軸系模型與實(shí)際臺(tái)架測(cè)試模型一致?？墒褂迷撃Ｐ瓦M(jìn)行下一步工作。其余方案減振器數(shù)據(jù)對(duì)比如圖13和圖14所示。

根據(jù)以上結(jié)果對(duì)比，認(rèn)為此次結(jié)果對(duì)比情況較好，滿足設(shè)計(jì)要求。外置式減振器頻率最終確定為420±30 Hz。

使用420 Hz外置式減振器重新進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，順利通過600 h耐久試驗(yàn)，沒有出現(xiàn)類似故障和失效。

圖13 方案2減振器輪轂各階扭轉(zhuǎn)角對(duì)比

圖14 方案3減振器輪轂各階扭轉(zhuǎn)角對(duì)比

5 結(jié)論

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中出現(xiàn)的實(shí)際問題，優(yōu)化了減振器的結(jié)構(gòu)，并對(duì)減振器主要參數(shù)重新設(shè)計(jì)，使之滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)要求。

外置式減振器較內(nèi)置式減振器可有效降低橡膠工作溫度，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。利用合理的仿真模型，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)成本，減少開發(fā)時(shí)間。

可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，根據(jù)實(shí)際情況，使用仿真法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可有效減少開發(fā)費(fèi)用和時(shí)間，為發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量提供有力保障。

1楊連生編著.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1981.

2 AVL EXCITE Designer manuals.

Analysis and Design ofⅤibration Damper for a Gasoline Engine

Zhanghu1,Zuoyun2
（1.Technical Center,Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China; 2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center,Baoding 071000,China）

To solve the problem of a damper rubber part overheating in engine bench test,the structure of a vibration damper is optimized by simulation and the damper frequency is matched to reduce its operating temperature.Moreover,the simulation and test results are matched well and the engine quality is improved significantly.

vibration damper,rubber aging,torsional vibration analysis,AⅤL EXCⅠTE, angular displacement

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.004

來稿日期：2013-09-29

張虎（1986-），男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)榍S多體動(dòng)力學(xué)。