基于模態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)布置與優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔡興玲（安徽全柴動(dòng)力股份有限公司，安徽2395000）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)中的重要部件，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。進(jìn)氣歧管的主要功能是將盡可能多的可燃混合氣或新鮮空氣均勻分配到各氣缸，故對(duì)進(jìn)氣歧管的要求是：進(jìn)氣阻力小、充氣量大。與傳統(tǒng)的鋁制進(jìn)氣歧管相比，復(fù)合塑料（以下稱為塑料）進(jìn)氣歧管具有一定的優(yōu)越性：塑料進(jìn)氣歧管內(nèi)表面光滑，可進(jìn)一步減少進(jìn)氣阻力，提高充氣性能；更重要的是，塑料進(jìn)氣歧管質(zhì)量輕，成形工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，塑料進(jìn)氣歧管將逐漸替代鋁制進(jìn)氣歧管。某發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足更高的節(jié)油要求和排放要求，進(jìn)氣歧管材料由鋁制改為塑料材質(zhì)，并增加了EGR進(jìn)氣方式。

一般情況下，進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)相同時(shí)，其模態(tài)頻率的平方與材料的彈性模量E成正比、與材料的密度ρ成反比，即f∝鋁制材料彈性模量E通常為70 GPa，相對(duì)密度2.7；本案塑料歧管材質(zhì)為PA6+30%玻纖，彈性模量E約為8 GPa，相對(duì)密度1.37；因此，塑料進(jìn)氣歧管模態(tài)頻率較鋁制的低一些。從發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)角度而言，將鋁制進(jìn)氣歧管改成塑料進(jìn)氣歧管，必須對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改設(shè)計(jì)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性要求；另外，為了提高塑料進(jìn)氣歧管的模態(tài)頻率，通常情況下都需要在歧管適當(dāng)?shù)奈恢锰砑虞o助支撐。由此，需要運(yùn)用模態(tài)分析理論，對(duì)新設(shè)計(jì)的塑料進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)和輔助支撐位置進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，以獲得優(yōu)化的歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輔助支撐布置。

1 進(jìn)氣歧管方案

采用塑料進(jìn)氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)為3缸直噴式汽油機(jī)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

為獲得最優(yōu)進(jìn)氣歧管，設(shè)計(jì)了A、B、C三種歧管方案和3種不同的輔助支撐方案。3種歧管方案見圖1。

方案A為匹配升級(jí)的汽油機(jī)進(jìn)行的原始設(shè)計(jì)方案，其3維結(jié)構(gòu)布置如圖1a）所示。與原鋁制進(jìn)氣歧管相比，進(jìn)氣特性通過CFD流動(dòng)計(jì)算進(jìn)行重新匹配，結(jié)構(gòu)外形與原鋁制進(jìn)氣歧管差異明顯，必須進(jìn)行模態(tài)振動(dòng)計(jì)算以驗(yàn)證方案可行性。

方案B與方案A的主要的差異在于將方案A的穩(wěn)壓腔與進(jìn)氣歧管分開，目的是使歧管成形工藝更加簡(jiǎn)單。方案B進(jìn)氣歧管的3維結(jié)構(gòu)布置如圖1b） 所示。

方案C與方案A一樣，采用穩(wěn)壓腔與進(jìn)氣歧管本體連接在一起的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)剛度，提高進(jìn)氣歧管的可靠性。與A、B兩種方案相比，方案C在歧管外形上做了進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化，增加了能提高結(jié)構(gòu)剛度的輔助設(shè)計(jì)。方案C進(jìn)氣歧管3的維結(jié)構(gòu)布置如圖1c）所示。

圖1 進(jìn)氣歧管方案

作為進(jìn)氣歧管輔助支撐的支架，其結(jié)構(gòu)受發(fā)動(dòng)機(jī)布置空間的限制，在仿真初期難以完全確定；但是支架在歧管上的安裝位置則基本上是固定的。通常輔助支架固定位置，一處位于靠發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的歧管實(shí)體塊上，一處位于電子節(jié)氣門的某一螺栓處。

位于進(jìn)氣歧管本體處的輔助支撐支架共2種結(jié)構(gòu)，由于布置位置相同，在此均稱為支架1，用符號(hào)a、b對(duì)結(jié)構(gòu)特征加以區(qū)分。其中支架1-a為原發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的支架結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣歧管方案A在歧管實(shí)體支撐位置上沿用了這一支架方案。支架1-b為進(jìn)氣歧管方案B及方案C采用的支架結(jié)構(gòu)。由于在歧管本體上的支撐位置與方案A有所不同，對(duì)該支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更新設(shè)計(jì)。

支架2為固定于電子節(jié)氣門位置的輔助支撐，其中的支架2-a結(jié)構(gòu)采用單螺栓布置，歧管方案A及B采用該支架結(jié)構(gòu)，支架2-b采用雙螺栓布置形式，C方案采用這種結(jié)構(gòu)形式的支架。各輔助支撐的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輔助支撐

2 模態(tài)理論及設(shè)計(jì)目標(biāo)

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，一般應(yīng)用于工程振動(dòng)領(lǐng)域；模態(tài)分析又是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及故障診斷的重要方法[1-4]。模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)都有其對(duì)應(yīng)的特定固有頻率。1階模態(tài)固有頻率在振動(dòng)中起主要作用。為了避免進(jìn)氣歧管發(fā)生共振，應(yīng)盡可能地提高進(jìn)氣歧管的1階模態(tài)固有頻率。該進(jìn)氣歧管匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)為3缸4沖程，轉(zhuǎn)速覆蓋范圍為700～5 000 r/min，因此對(duì)應(yīng)的發(fā)火激勵(lì)頻率為17.5～125 Hz。要避免發(fā)生共振，歧管1階模態(tài)固有頻率必須遠(yuǎn)離125 Hz。一般情況下，按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)傳遞率小于2，根據(jù)強(qiáng)迫振動(dòng)理論可知，頻率比應(yīng)該小于0.707。因此，本案的模態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)：塑料進(jìn)氣歧管的1階模態(tài)固有頻率需要達(dá)到177 Hz。

3 計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算模型包括進(jìn)氣歧管及電子節(jié)氣門。電子節(jié)氣門直接與進(jìn)氣歧管法蘭面連接，其質(zhì)量及質(zhì)心位置對(duì)歧管模態(tài)有很大的影響，建模時(shí)必須考慮節(jié)氣門對(duì)振動(dòng)模態(tài)的影響。雖然電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各部分材料屬性不一致，但不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)建模，而是采用質(zhì)量塊代替電子節(jié)氣門，準(zhǔn)確反映其質(zhì)量及質(zhì)心位置即可。節(jié)氣門與歧管法蘭面之間建立MPC接觸關(guān)系，使得接觸面之間在振動(dòng)情況下不分離。接觸算法選擇分布耦合法，即允許耦合面上的各部分之間發(fā)生相對(duì)變形，比運(yùn)動(dòng)耦合中的面接觸更貼近實(shí)際情況。

有限元網(wǎng)格模型如圖3所示，位移邊界約束在進(jìn)氣歧管與缸蓋法蘭配合面上。其中節(jié)氣門網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，進(jìn)氣歧管本體采用高階四面體單元。有限元模型共包含 C3D4單元10 800個(gè)，C3D10M單元216 580個(gè)。

圖3 進(jìn)氣歧管有限元網(wǎng)格模型

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 方案A

方案A進(jìn)氣歧管在無輔助支撐情形下，1階模態(tài)固有頻率為68 Hz，2階模態(tài)固有頻率為98 Hz，3階模態(tài)頻率為204 Hz。無輔助支架時(shí)，針對(duì)1.5階發(fā)火激勵(lì)，進(jìn)氣歧管會(huì)在2 720 r/min和3 920 r/min時(shí)產(chǎn)生共振，共振的幅值取決于所對(duì)應(yīng)階模態(tài)的阻尼比。因此，進(jìn)氣歧管必須安裝適當(dāng)?shù)妮o助支撐。由于1階模態(tài)固有頻率在振動(dòng)中起主要作用，因此，下面的模態(tài)計(jì)算僅計(jì)算進(jìn)氣歧管1階模態(tài)固有頻率。方案A進(jìn)氣歧管1階模態(tài)振型見圖4。

圖4 方案A進(jìn)氣歧管1階模態(tài)振型 （68 Hz）

根據(jù)進(jìn)氣歧管在整機(jī)上的安裝條件，為方案A進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)了3種輔助支撐方案：僅安裝支架1-a、僅安裝支架2-a、同時(shí)安裝支架1-a和支架2-a。分別對(duì)A進(jìn)氣歧管+3種不同輔助支撐方案進(jìn)行模態(tài)振動(dòng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，僅安裝支架1-a時(shí)的1階模態(tài)固有頻率為164 Hz；僅安裝支架2-a時(shí)的1階模態(tài)固有頻率為74 Hz；同時(shí)安裝2個(gè)支架 （支架1-a和支架2-a）的1階模態(tài)固有頻率178 Hz。

圖5 方案A進(jìn)氣歧管+不同輔助支撐的1階模態(tài)振型

從計(jì)算結(jié)果可以看出，支架2-a的剛度較弱，未發(fā)揮出其應(yīng)有的支撐作用。比較圖5中3種輔助支撐的1階模態(tài)固有頻率可知，相比無支架狀態(tài)，支架2-a未能明顯提高歧管結(jié)構(gòu)的1階固有頻率（僅從68 Hz提高到74 Hz），其仍處于發(fā)火激勵(lì)共振區(qū) （3 000 r/min）； “支架1-a方案” 和 “支架1-a+支架2-a方案”均明顯提高了歧管結(jié)構(gòu)的1階固有頻率，其對(duì)應(yīng)的發(fā)火激勵(lì)共振轉(zhuǎn)速分別為6 560 r/min和7 120 r/min；在發(fā)動(dòng)機(jī)處于6 000 r/min，阻尼比為0.01時(shí)，振動(dòng)傳遞率分別為5.73和3.35，均大于2。從傳遞率要求來說，3種輔助支撐方案均不能滿足設(shè)計(jì)要求，但 “支架1+支架2方案”略好些。

4.2 方案B

方案B進(jìn)氣歧管在無支撐狀態(tài)下，1階模態(tài)固有頻率為42.6 Hz，2階模態(tài)固有頻率為52.2 Hz，3階模態(tài)頻率為68.6 Hz，其1階模態(tài)振型如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，方案B的進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔與3個(gè)缸的進(jìn)氣歧管分離后，模態(tài)固有頻率有所降低。關(guān)鍵是1階模態(tài)頻率由68 Hz降為42.6 Hz，且方案B的歧管前幾階模態(tài)頻率分布很密集，針對(duì)1.5階發(fā)火激勵(lì)，進(jìn)氣歧管會(huì)在 1 704 r/min、2 088 r/min、2 744 r/min等發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生共振。這必須避免。

圖6 方案B進(jìn)氣歧管1階模態(tài)振型 （42.6 Hz）

對(duì)方案B進(jìn)氣歧管，采用支架1-b、支架2-a進(jìn)行輔助支撐。支架1-b安裝在近節(jié)氣門的右下方，支架2-a安裝在靠節(jié)氣門側(cè)的第1缸進(jìn)氣歧管上。對(duì)B方案采用輔助支撐后的模態(tài)振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 B方案進(jìn)氣歧管+輔助支撐1階模態(tài)振型

方案B進(jìn)氣歧管采用輔助支撐后，其1階模態(tài)固有頻率僅為99.7 Hz，與設(shè)計(jì)目標(biāo)177 Hz相差甚遠(yuǎn)。這種情況下，即使阻尼比達(dá)到3%，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近4 000 r/min（點(diǎn)火頻率100 Hz）時(shí)，振動(dòng)傳遞率也將達(dá)到16.7。這是不可接受的。因此，這種將穩(wěn)壓腔與歧管分離的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)，即使有輔助支撐也難以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。建議進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)壓腔應(yīng)盡可能與各缸歧管緊密結(jié)合在一起，這對(duì)改善歧管的振動(dòng)特性是有利的。

4.3 方案C

方案C進(jìn)氣歧管在無支撐狀態(tài)下，1階模態(tài)固有頻率為86.7 Hz，2階模態(tài)固有頻率為114 Hz，3階模態(tài)頻率為232 Hz。其1階模態(tài)振型如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，方案C的進(jìn)氣歧管，穩(wěn)壓腔與3個(gè)缸的進(jìn)氣歧管緊密結(jié)合在一起，模態(tài)固有頻率有所提高，說明整體進(jìn)氣歧管的剛度好。

圖8 方案C進(jìn)氣歧管1階模態(tài)振型 （86.7 Hz）

給方案C進(jìn)氣歧管增加輔助支撐，采用支架2-b進(jìn)行支撐。對(duì)方案C進(jìn)氣歧管增加輔助支撐后的模態(tài)振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 C方案進(jìn)氣歧管+輔助支撐1階模態(tài)振型

方案C進(jìn)氣歧管安裝支架后1階模態(tài)固有頻率能夠達(dá)到201 Hz，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)177 Hz。

通過上述分析可知：1）3個(gè)進(jìn)氣歧管方案在無輔助支撐狀態(tài)下，1階模態(tài)頻率都位于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，均會(huì)產(chǎn)生共振，因此必須安裝適當(dāng)?shù)妮o助支撐；2）方案A中的支架1-a對(duì)進(jìn)氣歧管支撐剛度有明顯的提升作用，而支架2-a對(duì)進(jìn)氣歧管支撐剛度影響較小；3）將穩(wěn)壓腔與各缸歧管分離的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)，即使加上輔助支撐也難以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，建議穩(wěn)壓腔應(yīng)盡可能與歧管緊密結(jié)合在一起，增強(qiáng)歧管本體的抗振動(dòng)特性；4）沒有輔助支撐情況下，1階模態(tài)固有頻率C方案最高，為86.7 Hz，方案B最低，為42.6 Hz，C方案為68 Hz；5）增加輔助支撐后，A和B方案均不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，但方案A優(yōu)于方案B，而方案C最優(yōu)，為201 Hz，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

模態(tài)分析方法適用于產(chǎn)品的失效分析及改進(jìn)分析。采用模態(tài)分析方法對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管的3種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，方案C為最優(yōu)，并最終通過了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)。模態(tài)分析的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)邊界條件依賴少，無需獲取準(zhǔn)確的進(jìn)氣歧管實(shí)際振動(dòng)邊界，就可進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)分析，這樣可以快速對(duì)進(jìn)氣歧管本體結(jié)構(gòu)及支撐布置進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。這在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有重要意義。