內(nèi)燃機(jī)鎂、鋁合金鑄件的振動響應(yīng)和減振性能的試驗(yàn)研究

譚　偉，米　林，田　鐵，王蘇磊

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400054；2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春　130022)

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內(nèi)燃機(jī)鎂、鋁合金鑄件的振動響應(yīng)和減振性能的試驗(yàn)研究

譚偉1，米林1，田鐵2，王蘇磊1

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054；2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130022)

摘要：采用發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)手段，對某型發(fā)動機(jī)用結(jié)構(gòu)相同的鎂合金氣門室罩蓋和鋁合金氣門室罩蓋在發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的振動響應(yīng)和減振性能進(jìn)行了測試和比較，結(jié)果表明：在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 800 r/min的中高轉(zhuǎn)速工況下，AZ91D鎂合金罩蓋振動響應(yīng)小于ADC12鋁合金罩蓋，AZ91D鎂合金罩蓋的減振性能明顯優(yōu)于ADC12鋁合金罩蓋，并且隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，AZ91D鎂合金罩蓋的減振性能優(yōu)勢逐漸增大。頻譜分析結(jié)果表明：在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 800 r/min的中高轉(zhuǎn)速工況下，鎂合金罩蓋的減振性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在1 700～2 500 Hz的頻帶內(nèi)，在這個(gè)頻帶內(nèi)鎂合金材料的阻尼性能優(yōu)勢得到充分的發(fā)揮，這是其減振性能更優(yōu)的主要原因。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；鎂合金；罩蓋；臺架試驗(yàn)；振動響應(yīng)；減振性能

目前，鋁合金和鑄鐵材料被廣泛用于汽車發(fā)動機(jī)的缸體和殼體類零件的制造中，但是這些材料也存在一些缺點(diǎn)，比如鑄鐵的密度大，鋁合金的阻尼性能較差，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化和優(yōu)良的減振功能。鎂合金材料作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、高阻尼和易于回收等顯著優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在汽車制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用對于降低整車和發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，提高汽車的舒適性和經(jīng)濟(jì)性，并降低汽車排放具有重要的意義[3-5]。目前，鎂合金材料已經(jīng)成為汽車制造領(lǐng)域主要應(yīng)用的新材料之一，越來越多的汽車零部件開始使用鎂合金材料制造，以替代鋁合金和鑄鐵等常規(guī)材料。

某型轎車用直列四缸汽油發(fā)動機(jī)為了降低自身質(zhì)量，其氣門室罩蓋的制造使用AZ91D鎂合金替代ADC12鋁合金，同時(shí)替換前后的氣門室罩蓋的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸不變，以方便直接替換。研究表明：AZ91D鎂合金材料和ADC12鋁合金材料的阻尼性能和彈性模量有較大的差別，其中鎂合金的阻尼性能約為鋁合金阻尼性能的3～5倍[6]，而AZ91D鎂合金的彈性模量又明顯小于ADC12鋁合金。為了解鎂合金材料直接替換鋁合金材料后氣門室罩蓋的受迫振動響應(yīng)特性的變化及定量地研究2種材質(zhì)罩蓋減振性能的優(yōu)劣，本文對2種材質(zhì)的罩蓋分別裝機(jī)進(jìn)行了發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，對比測試和研究了2種不同材質(zhì)的氣門室罩在相同的發(fā)動機(jī)工況下的振動響應(yīng)，定量地分析和研究了AZ91D罩蓋的振動響應(yīng)及其在減振性能方面的優(yōu)勢，為鎂合金材料作為結(jié)構(gòu)和減振一體化材料替代鋁合金材料制造發(fā)動機(jī)大型零部件提供了應(yīng)用的依據(jù)。

1材料替換后氣門室罩蓋的剛度變化

氣門室罩蓋的主要作用是密封和降低振動和噪聲的傳遞與輻射，并不是主要的承受發(fā)動機(jī)工作載荷的零部件，因此對于其制造材料的力學(xué)性能要求相對較低，目前使用的材料有鋁合金和鎂合金，甚至是工程塑料。本研究中直接使用AZ91D鎂合金替代ADC12鋁合金制造氣門室罩蓋會導(dǎo)致罩蓋的整體剛度有所下降。其中罩蓋受到最主要的載荷是罩蓋頂部的4個(gè)緊固螺栓壓緊的靜力載荷。以下是基于有限元的方法對鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋在螺栓預(yù)緊力作用下的變形形式和變形量的計(jì)算和分析。

首先對罩蓋的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖1所示，然后分別對鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋的4個(gè)緊固螺栓安裝位置在-Z方向分別施加1 kN和10 kN(根據(jù)緊固螺栓的預(yù)緊扭矩近似計(jì)算得到)的靜力載荷，如圖1所示，計(jì)算了鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋的變形形式和最大變形量。

圖1　罩蓋的有限元模型和邊界條件

圖2、3分別是兩種材質(zhì)罩蓋受到螺栓預(yù)緊力的靜力載荷下的位移云圖和載荷位移曲線。計(jì)算結(jié)果表明：兩種材質(zhì)的罩蓋在靜力載荷作用下變形形式是一致的，兩者的最大變形位置相同，其中AZ91D鎂合金罩蓋的最大位移略大于ADC12鋁合金罩蓋，表明AZ91D鎂合金罩蓋的整體剛度略小于ADC12鋁合金罩蓋，材料替換后罩蓋剛度的變化極小，鎂合金罩蓋完全可以滿足實(shí)際使用要求。

圖2　2種材質(zhì)罩蓋的位移云圖

圖3　2種材質(zhì)罩蓋的載荷位移曲線

2鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋振動響應(yīng)特性分析

單自由度系統(tǒng)簡諧激勵(lì)作用下的強(qiáng)迫振動方程如下[7]:

(1)

強(qiáng)迫振動的振幅

(2)

(3)

式(2)可以變換為式(4)。

(4)

式(4)表明：在相同的簡諧激勵(lì)下，罩蓋的剛度、阻尼比、固有頻率和激勵(lì)頻率共同影響罩蓋振動響應(yīng)的幅值。AZ91D鎂合金的彈性模量和密度分別為45 GPa和1 820 kg/m3；ADC12鋁合金彈性模量和密度分別為71 GPa和2 700 kg/m3。根據(jù)無阻尼振動系統(tǒng)的固有頻率的計(jì)算方法，AZ91D鎂合金罩蓋的固有頻率與結(jié)構(gòu)相同的ADC12鋁合金罩蓋的固有頻率極為接近，前者約為后者的95%。因此，兩種材質(zhì)的罩蓋的振動響應(yīng)主要是由其剛度、阻尼比以及激勵(lì)頻率決定的，在兩種材質(zhì)的罩蓋剛度和阻尼比確定的情況下，在一定的激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，雖然鎂合金罩蓋的剛度小于鋁合金罩蓋，但是鎂合金罩蓋的阻尼性能優(yōu)勢會得到更加充分的發(fā)揮，從而使在相同的激勵(lì)作用下鎂合金罩蓋的響應(yīng)幅值小于鋁合金罩蓋，使得鎂合金罩蓋具備更優(yōu)的阻尼減振性能。

3罩蓋振動響應(yīng)的測試與分析

3.1試驗(yàn)的準(zhǔn)備

本試驗(yàn)是在由AVL電力測功機(jī)控制的排量為1.3 L的直列四缸汽油發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行的，AZ91D鎂合金制氣門室罩蓋質(zhì)量為1.76 kg，ADC12鋁合金制氣門室罩蓋質(zhì)量為2.54 kg。選用江蘇聯(lián)能公司的信號調(diào)理器(YE5864B)和加速度傳感器(CY-YD-186G)對罩蓋的振動響應(yīng)進(jìn)行了測試，抗混疊低通濾波頻率設(shè)定為2.5 kHz，采樣頻率設(shè)定為10 kHz。

該氣門室罩蓋是由罩蓋頂部的4個(gè)緊固螺栓壓緊并安裝在缸蓋上，因此罩蓋的振動能量主要是從罩蓋頂部的4個(gè)緊固螺栓以及罩蓋與缸蓋的結(jié)合面?zhèn)鬟f而來，并且罩蓋的垂向是主要的振動方向，由此確定以垂向的振動響應(yīng)作為主要的測試對象。加速度傳感器的安裝位置首先應(yīng)該適合垂直方向的測試，然后便于振動傳感器的安裝，最后應(yīng)處于主要的激振力的作用范圍，由此確定在罩蓋的第1缸和第2缸火花塞之間、第2缸和第3缸火花塞之間的平面上設(shè)置2個(gè)振動測點(diǎn)，具體的位置如圖4所示。

圖4　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋及其振動測點(diǎn)

為了全面了解罩蓋的表面振動響應(yīng)，試驗(yàn)中選取了45種工況，其中選取了15個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)工況，從1 200～4 000 r/min(發(fā)動機(jī)的主要工作轉(zhuǎn)速范圍)，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)間隔200 r/min，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)工況下選取3個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，分別為30，50，70 N·m。

2種材質(zhì)的罩蓋及其測試臺架如圖4和5所示。

圖5　試驗(yàn)發(fā)動機(jī)與電力測功機(jī)臺架

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1加速度信號的時(shí)域分析與對比

圖6是鎂合金罩蓋在發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況(3 000 r/min，70 N·m)時(shí)2個(gè)測點(diǎn)振動加速度的時(shí)域信號。

圖6　鎂合金罩蓋的加速度時(shí)域信號

時(shí)域信號的有效值反映了信號的功率大小，因此測點(diǎn)的振動加速度的時(shí)域信號有效值描述了該測點(diǎn)在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的振動響應(yīng)和振動強(qiáng)度的大小。本研究采用振動加速度的時(shí)域信號的有效值來描述罩蓋表面相應(yīng)測點(diǎn)處的振動響應(yīng)大小。時(shí)域信號有效值的計(jì)算如式(5)所示。

(5)

圖7～9是AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋上的2個(gè)振動測點(diǎn)在相同的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況下振動加速度的有效值計(jì)算結(jié)果和對比。

圖7～9是在轉(zhuǎn)矩恒定的條件下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 200 r/min至4 000 r/min時(shí)2種材質(zhì)的罩蓋對應(yīng)測點(diǎn)的振動加速度有效值的對比數(shù)據(jù)?？傮w可見：隨著轉(zhuǎn)速的升高，罩蓋的振動響應(yīng)和振動強(qiáng)度越來越大。

圖7　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動加速度

圖8　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動加速度

圖9　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動加速度

對于罩蓋測點(diǎn)1，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于1 800 r/min時(shí)，AZ91D罩蓋振動加速度的有效值大于ADC12罩蓋，表明此時(shí)AZ91D罩蓋的振動響應(yīng)大于ADC12罩蓋，AZ91D罩蓋沒有減振性能優(yōu)勢；超過1 800 r/min后，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，AZ91D罩蓋的表面振動加速度的有效值逐漸小于ADC12罩蓋，并且差值越來越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，差值最大，并且在該轉(zhuǎn)速的3個(gè)負(fù)荷狀態(tài)下AZ91D罩蓋的振動加速度有效值平均為ADC12罩蓋的84%。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 800 r/min時(shí)，在相同的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況下，AZ91D罩蓋的振動響應(yīng)小于ADC12罩蓋，AZ91D罩蓋的減振性能明顯優(yōu)于ADC12罩蓋。從對比數(shù)據(jù)中可以看出：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，AZ91D罩蓋的減振性能優(yōu)勢有進(jìn)一步增大的趨勢。

對于罩蓋測點(diǎn)2，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于2 600 r/min時(shí)，AZ91D罩蓋振動加速度的有效值大于ADC12罩蓋，此時(shí)AZ91D罩蓋沒有減振性能優(yōu)勢；超過2 600 r/min后，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，AZ91D罩蓋的表面振動加速度的有效值逐漸小于ADC12罩蓋，并且差值越來越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，差值最大，表明此時(shí)AZ91D罩蓋的減振性能優(yōu)于ADC12罩蓋。

罩蓋振動響應(yīng)的測試數(shù)據(jù)表明，兩種材質(zhì)的罩蓋承受的交變載荷總體水平較低，使用鎂合金替代鋁合金制造的罩蓋可以滿足強(qiáng)度要求。

3.2.2加速度信號的頻域?qū)Ρ扰c分析

圖10～13是AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動測點(diǎn)1在發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況分別為(1 200 r/min，30 N·m)，(1 800 r/min，30 N·m)，(3 000 r/min，30 N·m)，( 4 000 r/min，30 N·m)時(shí)的加速度信號的頻譜對比。

圖10　運(yùn)行工況為(1 200 r/min，30 N·m)時(shí)

從頻譜圖中可以看出：罩蓋的最大激勵(lì)源是發(fā)動機(jī)的不平衡的2階往復(fù)慣性力。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 800 r/min時(shí)，AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動響應(yīng)在頻譜圖上沒有明顯的區(qū)別；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 800 r/min時(shí)，AZ91D罩蓋除了2階往復(fù)慣性力的激勵(lì)響應(yīng)外，其主要的振動響應(yīng)集中在低于1 700 Hz的頻帶內(nèi)；1 700～2 500 Hz的頻帶內(nèi)振動響應(yīng)極小，而ADC12罩蓋在1 700～2 500 Hz頻帶內(nèi)的振動響應(yīng)較大，明顯大于AZ91D罩蓋，表明AZ91D罩蓋在1700～2500 Hz頻帶內(nèi)的減振性能明顯優(yōu)于ADC12罩蓋，由于AZ91D罩蓋在這個(gè)頻帶內(nèi)的明顯優(yōu)勢使得其在整個(gè)分析頻帶內(nèi)減振性能優(yōu)于ADC12罩蓋。

圖11　運(yùn)行工況為(1 800 r/min，30 N·m)時(shí)

圖12　運(yùn)行工況為(3 000 r/min，30 N·m)時(shí)

圖13　運(yùn)行工況為(4 000 r/min，30 N·m)時(shí)

綜合對比兩個(gè)測點(diǎn)的振動加速度的時(shí)域和頻域信號，表明AZ91D鎂合金罩蓋的減振性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高于1 800 r/min的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速工況，特別是在1 700 Hz以上的頻帶鎂合金的阻尼減振性能優(yōu)勢非常明顯。結(jié)合式(4)的理論分析結(jié)論，在該頻帶內(nèi)，鎂合金材料的阻尼性能優(yōu)勢能得到充分發(fā)揮，這是鎂合金罩蓋具有更優(yōu)減振性能的主要原因。

4結(jié)論

1) 在發(fā)動機(jī)的低速工況下，AZ91D鎂合金罩蓋的振動響應(yīng)大于ADC12鋁合金罩蓋，AZ91D鎂合金罩蓋沒有減振性能的優(yōu)勢；在超過1800 r/min的中高轉(zhuǎn)速工況下，AZ91D鎂合金罩蓋的振動響應(yīng)小于ADC12鋁合金罩蓋，AZ91D鎂合金罩蓋具有明顯的減振性能優(yōu)勢，并且隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高優(yōu)勢逐漸增大。

2) AZ91D鎂合金的阻尼性能優(yōu)勢在中高轉(zhuǎn)速工況下以及在1 700 Hz以上的頻段得到了充分有效的發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了在2 500 Hz以下的分析頻帶內(nèi)AZ91D鎂合金罩蓋更優(yōu)的阻尼減振性能。

3) 在結(jié)構(gòu)和尺寸不變的條件下，使用AZ91D鎂合金直接替換ADC12鋁合金制造發(fā)動機(jī)罩蓋零件，在力學(xué)性能上可以滿足罩蓋實(shí)際使用的要求，同時(shí)得到更優(yōu)的阻尼減振性能，并能降低零件的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉楚明，紀(jì)仁峰，周海濤，等．鎂及鎂合金阻尼特性的研究進(jìn)展[J]．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2005，15(9)：1319-1325.

[2]張平，丁毅，馬立群，等．鎂合金的阻尼性能的研究[J]．物理學(xué)進(jìn)展，2006，26(4)：419-422.

[3]曾榮昌，柯偉，徐永波，等．Mg合金的最新發(fā)展及應(yīng)用前景[J].金屬學(xué)報(bào),2001,37(7):673685.

[4]POWELL B P.Magnesium alloys cast into auto powertrain components [J].Advanced Materials and Processes,2004,162(8):6061.

[5]PANTELAKIS S G,ALEXOPOULOS N D,CHAMOS A N.Mechanical performance evaluation of cast magnesium alloys for automotive and aeronautical applications [J].J Eng Mater Technol,2007,129(3):422-430.

[6]張津,陶艷玲,孫智富，等.鎂合金AZ91D 的阻尼減振性能[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(10):186- 189.

[7]WILLIAM T.Theory of Vibration with Applications (Fifth Edition)[M].[S.l.]:Pearson Education Asia Limited and Tsinfhua University Press,1998.

(責(zé)任編輯楊文青)

Experimental Research on Vibration Response and Vibration Damping Property of Magnesium Alloy Casting and Aluminum Alloy Casting

TAN Wei1, MI Lin1, TIAN Tie2, WANG Su-lei1

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract:The vibration response and vibration damping property of AZ91D magnesium alloy valve cover and ADC12 aluminum alloy valve cover were tested and compared by using engine bench test method. The result shows that the vibration response of AZ91D cover is less than ADC12 cover in middle and high engine speed condition which is greater than 1800 rmp and the vibration damping property of AZ91D cover is greater than ADC12 cover, and as the engine speed increases, the advantage increases. The contrast and analysis of frequency spectrum of acceleration signal shows the advantage of vibration damping property of AZ91D cover mainly concentrates on the band from 1 700～2 500 Hz when the engine speed is greater than 1 800 r/min and the damping capacity advantage of AZ91D magnesium alloy can be used to reduce amplitude sufficiently in the band to be responsible for it.

Key words:IC engine；magnesium alloy；engine cover；bench test；vibration response；vibration damping property

收稿日期：2016-02-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175533)

作者簡介：譚偉(1981—)，男，重慶人，博士，助理研究員，主要從事機(jī)電系統(tǒng)測試與控制技術(shù)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.002

中圖分類號：TK415;TG146.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0006-07

引用格式：譚偉，米林，田鐵，等.內(nèi)燃機(jī)鎂、鋁合金鑄件的振動響應(yīng)和減振性能的試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):6-12.

Citation format：TAN Wei, MI Lin, TIAN Tie,et al.Experimental Research on Vibration Response and Vibration Damping Property of Magnesium Alloy Casting and Aluminum Alloy Casting[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):6-12.