在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析的研究

張兆奎 張志斌 王悅 邴紀(jì)秋 白冰

哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

近年來，國內(nèi)研發(fā)人員不斷對發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)深入探索，使其性能、技術(shù)大幅度得到提高，同時(shí)國家法規(guī)要求越來越嚴(yán)格，促使各種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)都朝著小排量、大功率的方向發(fā)展，尤其是三缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行更深一步的研究。由于三缸機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了工作中總是有兩個(gè)缸同時(shí)工作、另外一個(gè)缸單獨(dú)工作，理論上發(fā)動(dòng)機(jī)不可避免的出現(xiàn)振動(dòng)問題。就算是進(jìn)行了大量的優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和振動(dòng)也將比一般的四缸以上發(fā)動(dòng)機(jī)略大。之前的發(fā)動(dòng)機(jī)NVH采用長期經(jīng)驗(yàn)、不斷實(shí)驗(yàn)、快速圍堵等手段反復(fù)優(yōu)化，導(dǎo)致嚴(yán)重制約了研發(fā)周期，加大了研發(fā)成本。若采用CAE仿真手段，在設(shè)計(jì)階段即可引進(jìn)NVH性能的概念，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)抑制向主動(dòng)控制的轉(zhuǎn)變，對新機(jī)型的開發(fā)有著重要意義。本文以某三缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例，依據(jù)NVH仿真標(biāo)準(zhǔn)流程和方法，以多體動(dòng)力學(xué)分析和有限元方法為基礎(chǔ)，運(yùn)用Excite軟件分析后評估發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)。

文研究對象是直列三缸增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)為直列三缸、水冷、四沖程、廢氣渦輪增壓。其缸徑為75.5mm，沖程81.84mm，連桿長度131mm，缸間距82mm，如下圖1：

圖1 幾何模型

2 整機(jī)有限元建立

本文僅考慮在燃?xì)鈮毫?lì)下的振動(dòng)情況，保留的模型包括主要固定零部件：缸體、缸蓋、油底殼、搖臂室罩殼、正時(shí)罩殼、主軸承蓋、凸輪軸軸承蓋、進(jìn)氣歧管、排氣歧管、懸置支架、渦輪增壓器、電機(jī)等；以及運(yùn)動(dòng)件：曲軸、連桿、活塞、皮帶輪、雙質(zhì)量飛輪等。本次仿真分析在于觀察三缸機(jī)整機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算，對局部細(xì)微特征進(jìn)行簡化。如封閉直徑過小的螺栓孔、油路通道等，局部細(xì)小結(jié)構(gòu)（如細(xì)小的圓角、倒角等）它們對整體的動(dòng)力學(xué)特性影響比較小。

部件間的裝配連接，螺栓-墊片-螺栓孔-螺母為最常用的組合連接方式。對于振動(dòng)分析，避免采用剛性處理方法的tie約束，會(huì)造成整機(jī)的固有頻率結(jié)果偏大，而且容易導(dǎo)致運(yùn)算錯(cuò)誤，因此，可采用“梁模型和剛性單元”以及“梁和接觸對定義”。此次分析采用Kin-Coupling單元和RBE2單元模擬零部件的裝配關(guān)系。

使用Hypermesh軟件幾何整機(jī)模型及曲軸系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，曲軸軸瓦及缸套采用C3D8三維8節(jié)點(diǎn)六面體單元，其余零部件采用C3D10M三維10節(jié)點(diǎn)四面體修正單元。整機(jī)有限元模型約55萬個(gè)三維實(shí)體單元和約100萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。曲軸系統(tǒng)約為110萬個(gè)實(shí)體單元和200多萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，如下圖2：

3 振動(dòng)仿真分析

3.1 建立多體動(dòng)力學(xué)

應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行整機(jī)模型自由度的縮減，得到方便計(jì)算的整機(jī)縮減模型。模型進(jìn)行ABAQUS縮減后，減了少相關(guān)矩陣的階次，實(shí)踐表明，工程上是可以接受矩陣縮減所帶來的精度降低。并且在Excite運(yùn)用時(shí)可行的。

在Excite PU中建立多體動(dòng)力學(xué)分析模型。在Excite PU中，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)被分為線性的彈性體和連接件兩類。對于連接件包含了非線性剛度、阻尼特性的耦合的彈簧阻尼單元REVO、NONL等；約束是通過連接件向彈性體施加的，并考慮施加之間的相互耦合關(guān)系；使用縮減自由度方法組成子結(jié)構(gòu)，反映結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度特征；曲軸模型建立是用有限元方法在Excite PU中縮減建立；缸體與曲軸的軸承連接單元采用NONL模型；虛擬底盤主節(jié)點(diǎn)通過直接輸入的方式建立；發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置主節(jié)點(diǎn)對應(yīng)虛擬底盤上的懸置主節(jié)點(diǎn)，每個(gè)懸置的連接單元設(shè)置剛度和阻尼曲線，剛度、阻尼特性通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)獲得，建立的多體動(dòng)力學(xué)模型如下圖：

圖3 整機(jī)Excite PU模型

3.2 載荷定義及工況

發(fā)動(dòng)機(jī)載荷為外部載荷即缸壓數(shù)據(jù)，一般為試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)。主要是作用在活塞上的氣體爆發(fā)壓力，通過活塞、連桿等機(jī)構(gòu)傳到曲軸，使曲軸產(chǎn)生彎曲扭轉(zhuǎn)，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)機(jī)體的不平衡振動(dòng)。通過LOAD DATA輸入發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下氣缸壓力數(shù)值。在本分析中僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)外部載荷，根據(jù)試驗(yàn)測得800、1000、1200、1500、1700、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500rpm轉(zhuǎn)速下的燃?xì)鈮毫η€，下圖為800 RPM轉(zhuǎn)速下缸壓曲線示意圖。

對于多體動(dòng)力學(xué)模型施加燃?xì)鈮毫d荷，建立完整的計(jì)算模型。計(jì)算工況1000rpm-5500rpm，每隔500選取一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)工況計(jì)算4個(gè)工作循環(huán)，對于振動(dòng)分析，僅保留4-6個(gè)循環(huán)的計(jì)算結(jié)果。

圖3 .2 800 RPM試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 分析結(jié)果

本次分析的測試點(diǎn)布置在油底殼上，可以得出油底殼上該測試點(diǎn)的軸向（X）、橫向（Y）、垂向（Z）三個(gè)方向隨著轉(zhuǎn)速變化的加速度曲線，并與試驗(yàn)對比，如下圖4.1、4.2、4.3所示。橫左邊是頻率，單位Hz，縱坐標(biāo)是加速度，單位是m/s^2。

通過油底殼三個(gè)方向振動(dòng)加速度結(jié)果可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，三個(gè)方向的振動(dòng)加速度幅值整體均呈現(xiàn)增大的趨勢，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)約劇烈。通過仿真和試驗(yàn)比較，其結(jié)果吻合比較貼切，在新機(jī)型的后期優(yōu)化，可以通過仿真來為設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支持。

圖4.1 X方向加速度特性曲線

圖4 .2 Y方向加速度特性曲線

圖4 .3 Z方向加速度特性曲線

5 分析總結(jié)

（1）通過采用Excite建立多體動(dòng)力學(xué)與有限元相聯(lián)合的整機(jī)振動(dòng)模型，對新研發(fā)三缸汽油機(jī)整機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過分析結(jié)果并與試驗(yàn)對標(biāo)，判斷出該三缸汽油機(jī)懸置點(diǎn)速度基本能滿足NVH要求。

（2）在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段引進(jìn)NVH概念，使用AVL Excite Power Unit軟件，與有限元軟件相結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確的判斷整機(jī)振動(dòng)情況，縮短產(chǎn)品研發(fā)、試驗(yàn)周期，降低成本，對新機(jī)型研發(fā)有著重要意義。