基于共振頻率的發(fā)動機附件臺架耐久性試驗研究

許早龍　林圣鎮(zhèn)　夏玉茗　黃艷龍

摘 要：三缸發(fā)動機安裝附件的耐久性評估對工程師是個挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的方法是讓發(fā)動機在最高轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行幾百小時的連續(xù)試驗，本文通過對附件及其支架進(jìn)行轉(zhuǎn)速掃描獲得振動信號，結(jié)合附件模態(tài)頻率的測試和分析，根據(jù)附件主要共振頻率成分所對應(yīng)的振動位移和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，制定發(fā)動機附件臺架耐久性試驗工況，提高了試驗的有效性，縮短了試驗開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：共振頻率；發(fā)動機附件；耐久性；試驗臺架

中圖分類號：U467.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0041-04

Abstract： The durability evaluation of engine mounted components of a three-cylinder engine is a challenge for engineers； traditional method is run the engine at maximum speed for several hundred hours. In this paper， vibration signal is recorded by conduct full load speed sweeps； modal frequency of these overhanging components is tested and analyzed. Test procedure is determined by the resonant frequency and its corresponding engine speed， the test method is much more efficient than conventional one， this helped in reducing the product development time.

Key Words： resonant frequency； engine mounted components； durability； test rig

前 言

發(fā)動機附件如發(fā)電機、空調(diào)壓縮機、進(jìn)氣歧管等通過支架與發(fā)動機固定，發(fā)動機在不同工況運轉(zhuǎn)時由于往復(fù)慣性力和離心慣性力作用經(jīng)常引起附件和支架的疲勞斷裂。因此發(fā)動機附件的疲勞耐久試驗必須作為發(fā)動機研發(fā)的一個重要內(nèi)容。為節(jié)約時間和成本，對附件及其支架的考核通常在發(fā)動機試驗臺上進(jìn)行。

目前基于頻域法的隨機振動疲勞試驗設(shè)計方法，首先是根據(jù)載荷條件和邊界條件對結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行頻響分析，加載與道路譜相同的譜型，得到應(yīng)力響應(yīng)的PSD函數(shù)和應(yīng)力均方根值；其次，根據(jù)累積損傷準(zhǔn)則和S-N曲線參數(shù)，針對窄帶和寬帶問題分別選擇Bendat法和Dirlik法計算出相應(yīng)的疲勞壽命[1-2]。最后，根據(jù)加速試驗的期望時間得到試驗所需的激勵譜量級，從而設(shè)計試驗工況進(jìn)行試驗。由于發(fā)動機開發(fā)前期發(fā)動機要裝備在那種車型并不一定確定，且需要比較準(zhǔn)確的有限元和材料模型，這種方法對于耐久性評價要求較高，且時間較長。

目前大部分公司的做法是讓發(fā)動機在最高轉(zhuǎn)速附近連續(xù)運行幾百個小時進(jìn)行考核，但也有的嘗試測出發(fā)動機附件的振動信號，根據(jù)不同附件的振動加速度和振幅，制定更加合理的試驗工況[3]。 本文的研究基于一款三缸發(fā)動機，根據(jù)其激勵特性和附件的共振頻率制定相應(yīng)的耐久試驗方法。

1 發(fā)動機附件振動及模態(tài)測試

在所有需要考核的發(fā)動機附件上布置加速度傳感器，將發(fā)動機在臺架上完成熱機。分別進(jìn)行空載、半載、滿載測試；測試時，緩慢升速掃描（1000r/min～6500r/min），升速時間約為60秒，采集3-5組振動信號，查看采集數(shù)據(jù)的一致性和有效性。對振動位移后處理時，注意保留峰值（Spectrum peak hold）[4]。有的發(fā)動機附件本身在試驗臺架上不方便加載（如壓縮機），可以保持空載狀態(tài)。

同時，需要對這些附件進(jìn)行模態(tài)測試，尤其關(guān)注附件的第一階模態(tài)頻率。

2 數(shù)據(jù)分析

從圖1所示的發(fā)動機及其附件（如壓縮機）加速度總值（Overall）振動圖可以看出，在1780r/min附近發(fā)動機缸體及其附件似乎有一個“異?！狈逯?，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速附近，發(fā)動機扭矩達(dá)到最大，且發(fā)動機的剛體模態(tài)（rigid modal）約為30Hz左右，正好等于三缸發(fā)動機的1階激勵頻率。由于三缸發(fā)動機的1階和1.5階激勵都比較大，發(fā)動機剛體模態(tài)和扭矩共同造成了2000r/min以下轉(zhuǎn)速的振動峰值。實車發(fā)動機剛體模態(tài)在20Hz以下，所以2000r/min以下會出現(xiàn)一個峰值。

為了盡可能使臺架試驗與實車試驗相符合，發(fā)動機懸置橡膠隔振墊的剛度應(yīng)盡可能與實車接近，且試驗臺架支撐腿的剛度應(yīng)足夠高，最好高于發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速發(fā)火頻率。

從發(fā)動機缸體及安裝附件的振動信號中，提取彩圖（Colormap）和頻譜圖（如圖2所示），由于三缸發(fā)動機在最高轉(zhuǎn)速6500r/min對應(yīng)的二階發(fā)火頻率為162.5Hz，可以發(fā)現(xiàn)，缸體和所有發(fā)動機附件確實在162.5Hz處有一個斷崖式下滑，大于該頻率的振動幅值劇然降低，后面的峰值基本是附件的局部模態(tài)，這時需要根據(jù)前面對所有附件所進(jìn)行的模態(tài)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個檢查確認(rèn)。圖2中，310Hz為壓縮機的第一階共振頻率值。

共振是疲勞破壞非常重要的因素，發(fā)動機安裝附件如果隨缸體一起振動而不發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)和位移，就不會產(chǎn)生應(yīng)變破壞[5]。從頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機附件的模態(tài)頻率大于最高轉(zhuǎn)速的點火頻率后，位移響應(yīng)非常低，只有在共振頻率處才有比較高的幅值。綜合考慮顧客使用習(xí)慣和對應(yīng)的疲勞破壞規(guī)律，從而設(shè)計臺架快速試驗工況，需要很多試驗數(shù)據(jù)積累[6]。由疲勞損傷理論知，如果一個試件在歷經(jīng)一定數(shù)量的疲勞循環(huán)后，仍不斷裂，則可認(rèn)為其壽命是無限的。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，對于以鋁、鎂為主的輕合金或者復(fù)合材料制造的發(fā)動機附件支撐零件疲勞極限的循環(huán)次數(shù)S=5×107，對于鐵質(zhì)的沖壓制造的發(fā)動機附件支撐零件S=2×107；根據(jù)經(jīng)驗，對于五缸以下的發(fā)動機，在共振頻率附近的振幅低于0.02mm，則認(rèn)為該附件不會發(fā)生疲勞破壞（對于六缸以上的發(fā)動機，取0.01mm）。圖2壓縮機在310Hz左右振動位移超過0.02mm。endprint

如圖3所示，0.02mm線定義為耐久試驗分界線，若在大于162.5Hz的整個采樣頻率上零件的振動幅值都<0.02mm，則認(rèn)為該零件不需要進(jìn)行疲勞耐久試驗，反之，則需要。若在低于162.5Hz有明顯高于缸體位移變化趨勢的峰值，說明該附件模態(tài)較低，結(jié)合模態(tài)測試數(shù)據(jù)也需要關(guān)注。定義附件的共振帶為振動峰值的1/ 2 倍與振幅曲線的兩交點所對應(yīng)的頻率分別為共振頻率上下限。

確定若干個附件的振幅超過0.02mm，需要進(jìn)行共振頻率疲勞耐久試驗。根據(jù)不同的材料（鐵質(zhì)和非鐵質(zhì)），考核時間為在共振頻率上下限之間的振動次數(shù)等于相應(yīng)的疲勞極限次數(shù)，示例見表1。

3 耐久試驗方案制定

從表1可以看出，不少附件的考核轉(zhuǎn)速是重疊的，綜合考慮所有零件的考核時間、轉(zhuǎn)速區(qū)間等需要制定一個最優(yōu)方案，本文利用Monte Carlo模糊變量法通過產(chǎn)生服從一定分布的隨機變量，計算響應(yīng)值的分布情況，以確定變量的變化對響應(yīng)值的影響程度，從而對共振頻率的轉(zhuǎn)速區(qū)間進(jìn)行劃分，以得到總考核時間的最優(yōu)解。

本次試驗發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在空載、半載條件下，各個附件的振動量級比滿載小很多；因此耐久試驗基本上在滿載條件下進(jìn)行。最終將考核轉(zhuǎn)速劃分為7個區(qū)間（見表2），使總考核時間最短，總考核時間為294.7h。此前，發(fā)動機附件的耐久試驗是在6000r/min進(jìn)行700h的試驗，該方法不但總運行時間長，而且不能保證零件處于共振狀態(tài)。

該發(fā)動機裝車后，按照實際道路試驗的各種規(guī)程進(jìn)行了考核，發(fā)動機附件未發(fā)生任何破壞。

4 結(jié)論

（1）發(fā)動機安裝附件的耐久性考核如果固定在最高轉(zhuǎn)速附近，進(jìn)行七百小時的試驗，不能保證零件處于最容易破壞的共振狀態(tài)，本方案考慮了發(fā)動機附件的共振頻率，使零件的考核更加合理和充分，同時縮短了考核時間。

（2）在前期開發(fā)過程中，一般CAE分析要求發(fā)動機附件的第一階模態(tài)頻率大于最高轉(zhuǎn)速的點火頻率，為了安全有的甚至要求兩倍以上的安全系數(shù)。從頻譜圖上可以看出，隨著頻率的增大，振動幅值迅速降低，本試驗驗證了這個要求的合理性。

參考文獻(xiàn)：

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[4]Reilly， T.， "Multi Frequency Swept Sine Testing for Automotive Durability Testing of Engine Mounted Components，" SAE Technical Paper 2011-01-1658， 2011， doi：10.4271/2011-01-1658.

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[6]Gosavi， S. and Chavan， G.， "Development of Customer Correlated and Accelerated Driveline Durability Test Cycle，" SAE Technical Paper 2009-01-0412， 2009， doi：10.4271/2009-01-0412.endprint