模態(tài)分析在發(fā)動機耐久試驗中的應用

楊超，尹東升，范寶慶，李日成，吳鵬

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模態(tài)分析在發(fā)動機耐久試驗中的應用

楊超，尹東升，范寶慶，李日成，吳鵬

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

模態(tài)試驗是解決NVH問題的一種常用的試驗分析方法，通過數(shù)采設備來測出物體的模態(tài)來進行分析物體的固有頻率、阻尼等。文章以某發(fā)動機在耐久試驗考核中頻繁發(fā)生機油尺支架斷裂的故障為案例，闡述了如何通過模態(tài)試驗來解決NVH實際問題的思路和方法。

發(fā)動機；模態(tài)；耐久；試驗

引言

隨著汽車行業(yè)如火如荼的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，客戶不單單關(guān)注汽車的動力性和經(jīng)濟性，而越來越追求整車的舒適度。作為汽車的動力輸出源-發(fā)動機，它的NVH性能很大程度上決定了整車NVH性能的好壞。

所以，在一款發(fā)動機的研發(fā)初期和后續(xù)試驗過程中，發(fā)動機的NVH性能都是必須要考慮的。而模態(tài)試驗分析方法，則是解決NVH問題一種常用的試驗分析方法，它可以幫助我們了解產(chǎn)品發(fā)生問題的根源，而采取方法和措施從根本上去解決問題。

模態(tài)，顧名思義，就是物體的模型狀態(tài)。模態(tài)主要是指物體的固有頻率、阻尼等等，他是物體本身的一個固有屬性，一旦一樣東西的材料和形狀固定了，它的模態(tài)也相應固定了。模態(tài)試驗主要是指通過試驗設備測出被測件的模態(tài)，進行分析，找出問題點，然后針對問題采取對應方法和措施，進行整改。模態(tài)分析是一種方法，是一種手段，會給我們在解決NVH問題中指明方向。近期DAE某款發(fā)動機在耐久試驗考核中頻繁發(fā)生機油尺支架斷裂故障，觀察發(fā)現(xiàn)機油尺支架在一定轉(zhuǎn)速下抖動嚴重。通過模態(tài)試驗分析，發(fā)現(xiàn)了是機油尺支架強度不夠、固有頻率過小所致。

1 本文的研究意義和內(nèi)容

1.1 本文的研究意義

進行模態(tài)分析的首要條件是進行模態(tài)試驗，測出被測件的模態(tài)。本文針對DAE某款發(fā)動機在耐久試驗考核中，連續(xù)三次頻繁發(fā)生機油尺支架斷裂這個問題，進行兩輪振動排查試驗以及機油尺支架模態(tài)試驗。振動測點為搖臂室罩、缸體、進氣歧管、機油尺支架，試驗工況按照臺架標準試驗工況進行。經(jīng)排查，發(fā)動機振動正常，目標鎖定為機油尺支架本身，通過力錘敲擊模態(tài)試驗之后，發(fā)現(xiàn)支架本身模態(tài)剛度不夠，為后續(xù)采取方案整改提供了依據(jù)和方向。

圖1 搖臂室罩

圖2 進氣歧管

圖3 缸體

圖4 機油尺支架

圖5 自由模態(tài)

圖6 約束模態(tài)

1.2 本文的主要研究內(nèi)容

發(fā)生機油尺斷裂的發(fā)動機在180h耐久試驗考核中，發(fā)動機在穩(wěn)定6000rpm工況時機油尺固定支架相繼斷裂3個。為確認是否為發(fā)動機振動原因?qū)е拢紫冗M行第一輪發(fā)動機振動試驗進行排查。通過試驗結(jié)果確認故障非發(fā)動機本身振動所致，機油尺支架依然斷裂。后對機油尺支架進行振動試驗，確定支架本身問題導致。最后做機油尺支架的自由模態(tài)及約束模態(tài)試驗，發(fā)現(xiàn)機油尺固有頻率小于發(fā)動機在6000rpm時的二階激勵的頻率，在發(fā)動機耐久試驗中，機油尺支架長時間處于共振的轉(zhuǎn)速下，導致支架頻繁斷裂。

2 發(fā)動機機油尺斷裂模態(tài)分析試驗

2.1 第一輪振動試驗

第一輪振動試驗為故障排查試驗，測點為搖臂室罩、缸體、進氣歧管。工況按照臺架振動試驗標準進行。試驗結(jié)果如下：

圖7 搖臂室罩振動colormap

圖8 缸體振動colormap

圖9 進氣歧管振動colormap

從colormap圖上可以看出，發(fā)動機振動還是比較平穩(wěn)且無明顯共振帶，所以可判斷發(fā)動機本身振動并不是導致機油尺斷裂的原因。

2.2 第二輪振動試驗

由于第一輪試驗時，機油尺仍處在斷裂狀態(tài)下，所以懷疑是機油尺支架本身的原因，所以第二輪試驗安裝上新的機油尺進行試驗。

圖10 機油尺支架振動colormap（X向）

圖11 機油尺支架振動colormap（Y向）

圖12 機油尺支架振動colormap（Z向）

圖13 機油尺支架2階振動曲線

從colormap圖上可以看出，在支架的x、y、z三個方向都在182Hz出現(xiàn)共振，提取三個方向的2階曲線，更直觀看出在5460rpm時，三個方向同時存在最大峰值，所以判定機油尺斷裂的原因是因為支架的共振引起局部應力過大，不滿足耐久條件導致。

2.3 機油尺支架自由與約束模態(tài)測試

由于機油尺支架的x、y、z三個方向都在182Hz出現(xiàn)共振，故對機油尺支架做模態(tài)試驗進一步分析：

圖14 機油尺支架自由模態(tài)頻響曲線

圖15 機油尺支架約束模態(tài)頻響曲線

通過對機油尺支架自由、約束模態(tài)測試結(jié)果，驗證了機油尺支架確實存在剛性不足的問題，在自由模態(tài)下，支架的一階模態(tài)為221Hz，但在約束模態(tài)下，其一階僅為176Hz，該頻率對應發(fā)動機二階轉(zhuǎn)速為5300rpm，在高轉(zhuǎn)速耐久工況下，極容易引起共振達到最大應力，導致斷裂。

2.4 整改建議

通過試驗的驗證與分析，顯然此發(fā)動機沒有對機油尺支架的性能條件加以控制，對NVH而言，機油尺支架盡量向上避頻，至少要超過6000rpm以上時的發(fā)動機2階激勵頻率；在耐久考核方面，此類支架的峰值振動要超過20g≈200m/s2。從模態(tài)測試數(shù)據(jù)中分析，更能確定其支架的剛性不足，在約束模態(tài)下，樣件的一階頻率僅為176Hz，導致發(fā)動機在5200rpm~5500rpm之間極易引起支架共振。而在發(fā)動機耐久試驗考核標準里，5200rpm~5500rpm是必須要考核的轉(zhuǎn)速范圍，所以這就導致了發(fā)動機機油尺支架頻繁的斷裂。另外，此支架僅在x和z方向只有85、147m/s2，應當加強。

按以往NVH性能經(jīng)驗，機油尺安裝支架的約束模態(tài)要求超過240Hz，CAE部門通過計算，給出支架改進方案，通過倒角翻邊修改，支架強度加強，頻率提高。模型如下圖所示：

圖16 機油尺支架整改前

圖17 機油尺支架整改后

經(jīng)過更改支架，頻率提高到238Hz，大于200Hz，不會產(chǎn)生共振風險。CAE又計算通過加載20g加速度載荷，改進后的支架應力分布明顯好于原支架，對抗共振斷裂能力有所提高。

圖18 機油尺支架原模型

圖19 機油尺支架改進模型

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

本文首先提出了模態(tài)試驗分析是解決NVH問題的一種常用方法，接著以DAE某發(fā)動機在耐久試驗考核頻繁發(fā)生機油尺支架斷裂故障為案例，闡述了以模態(tài)試驗方法為基礎，從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的方法和思路。

3.2 展望

模態(tài)一直是NVH領(lǐng)域里一個重要的課題，在產(chǎn)品初期研發(fā)，中間試驗驗證以及后續(xù)解決問題中，它都會起著舉足輕重的作用。模態(tài)試驗本身并不復雜，重要的是解決問題的思路和方法。作為一名試驗技術(shù)員，我們不僅應當積累每一次試驗的經(jīng)驗，更應該拓展自己的思路，做到善于發(fā)現(xiàn)問題，找到問題的根本。同時，我們也可多將NVH試驗問題與CAE相結(jié)合，二者相輔相成，不但能拓展思路更能相互驗證。任重道遠，學海無涯，我們要一直秉承不斷學習的精神，去迎接更多的挑戰(zhàn)。

Modal analysis of engine durability test

Yang Chao, Yin Dongsheng, Fan Baoqing, Li Richeng, Wu Peng

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

Modal test is a common test analysis solutions to NVH problems through data acquisition equipment to measure the modal object to analyze objects natural frequency and damping. Taking a frequent engine oil dipstick stent fracture failure in an endurance test for the assessment of the case to explain how the ideas and methods to solve practical problems NVH through modal tests.

Engine;modal;durability;test

U464

B

1671-7988(2018)20-97-03

楊超，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心。

U464

B

1671-7988(2018)20-97-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.036