渦輪增壓執(zhí)行器支架振動分析及設(shè)計改進(jìn)

吳元杰

霍尼韋爾汽車零部件服務(wù)（上海）有限公司 設(shè)計部 上海市 201210

執(zhí)行器連接渦輪增壓器排氣閥，它執(zhí)行排氣閥的開合來控制增壓器進(jìn)氣量，并起到保護(hù)渦輪增壓器的作用。執(zhí)行器在控制渦輪增壓器正常運轉(zhuǎn)與保障其使用壽命起到至關(guān)重要的作用。為保障執(zhí)行器能夠以最佳狀態(tài)運行，執(zhí)行器的固定位置和固定方式是兩個重要的因素。

目前執(zhí)行器的固定位置有渦端固定和壓端固定兩種，固定方式有支架式固定和鑄件集成式固定兩類。

就執(zhí)行器固定位置而言，如果增壓器排氣閥在渦端，將執(zhí)行器固定在渦端附近，這樣能有效地避免振動帶來的零件疲勞破壞。但是渦端靠近發(fā)動機出氣端，工況惡略，空間局促。柴油機渦端進(jìn)氣溫度大約在750℃，周圍溫度接近500-600℃。汽油機渦端進(jìn)氣溫度大約在950℃，周圍溫度接近700-800℃。執(zhí)行器工作需要遠(yuǎn)離熱源，繼而振動帶來的疲勞失效風(fēng)險增大。通常我們設(shè)計執(zhí)行器固定位置，選擇將其布置在渦輪增壓器的壓端。壓端遠(yuǎn)離熱源，熱負(fù)荷小，符合執(zhí)行器工況需求。考慮振動可能帶來的疲勞失效，支架式固定和鑄件集成式固定執(zhí)行器都會盡可能靠近壓氣殼。

鑄件集成式固定是將執(zhí)行器的支撐結(jié)構(gòu)集成到壓氣殼鑄件的澆注中。澆注式結(jié)構(gòu)與壓氣殼集成，有效地減少不同零件及零件與緊固件之間的振動，對降低共振和疲勞失效有很大的幫助。但是由于澆注支架在殼體遠(yuǎn)端，為防止縮孔縮松現(xiàn)象發(fā)生，在模具型腔中需另加澆口和冒口，需要增加更多的鑄件材料。另外，執(zhí)行器的緊固方式都是螺釘緊固，需要增加機加工端面、鉆孔、攻螺紋等加工工藝才能滿足執(zhí)行器安裝緊固。相比之下，通過鈑金沖壓的支架連接壓氣殼和執(zhí)行器，能降低鑄造難度、減少鑄件材料、減少加工工藝步驟、提升產(chǎn)品合格率，特別是大批量生產(chǎn)，能顯著降低產(chǎn)品成本。出于上述因素考慮，通常我們選擇支架式緊固方式固定執(zhí)行器。

執(zhí)行器固定位置和固定方式確定后，需要考慮執(zhí)行器與殼體之間連接過度方式。在滿足安裝和正常運轉(zhuǎn)的前提下，避開發(fā)動機點火頻率。根據(jù)公式，點火頻率（f）= 每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）/60*缸數(shù)（N）/2。

早前由于設(shè)計軟件功能限制，設(shè)計工程師只能根據(jù)經(jīng)驗來設(shè)計支架，通過加厚、翻邊等方式提高一階固有頻率。產(chǎn)品設(shè)計結(jié)束后，交由CAE工程師在ANSYS中進(jìn)行有限元分析。然后加工生產(chǎn)出產(chǎn)品，再進(jìn)行產(chǎn)品疲勞試驗，該階段周期長，失效種類多，針對性的解決問題比較困難。現(xiàn)如今部分有限元分析模塊已集成到設(shè)計軟件中，在保證計算精度的情況下，達(dá)到CAD和CAE模塊轉(zhuǎn)換的無縫對接。設(shè)計工程師在完成支架設(shè)計后即可對其進(jìn)行模擬及優(yōu)化，分析其在執(zhí)行器負(fù)載下的一階固有頻率。

本文利用CATIA設(shè)計軟件中的創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊（GPS）對執(zhí)行器支架進(jìn)行應(yīng)力及振動頻率分析，為優(yōu)化執(zhí)行器支架設(shè)計，降低制造成本提供理論依據(jù)。

1 模態(tài)分析基本理論

由振動理論得知：一個線性振動系統(tǒng)，按自身某一階固有頻率作自由諧振時，整個系統(tǒng)將具有確定的振動形態(tài)（簡稱振型或模態(tài)）。模態(tài)是工程結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個零件或系統(tǒng)的模態(tài)具有特定參數(shù)，即固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等。此外，基于線性疊加原理，一個復(fù)雜的振動還可以分解為許多的模態(tài)疊加。一般地，以振動理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)地分析方法，稱為模態(tài)分析。模態(tài)分析是研究系統(tǒng)物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過一定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應(yīng)用的一門科學(xué)。

模態(tài)分析是指上述一種坐標(biāo)的線性變換，將振動系統(tǒng)以物理坐標(biāo)和物理參數(shù)所描述的、互相耦合的運動方程組，能夠變?yōu)橐唤M彼此獨立的方程，每個獨立方程只含一個獨立的模態(tài)坐標(biāo)；前者遵守牛頓定律，后者遵守能量守恒定律。變換的目的是為了接觸方程的耦合，便于求解。由于坐標(biāo)變換是線性變換，因而系統(tǒng)在原有物理坐標(biāo)系中，都有任意激勵的響應(yīng)，便可視為系統(tǒng)各階模態(tài)的線性組合。模態(tài)分析的主要優(yōu)點在于，它能用較少的運動方程或自由度數(shù)，直觀、簡明且十分精確的反應(yīng)一個比較復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而大大減少測量、分析及計算的工作量。

2 支架基本結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

本文以設(shè)計渦輪增壓執(zhí)行器支架為例，執(zhí)行器支架為沖壓式鈑金支架，固定在壓端位置。在執(zhí)行器與壓氣殼空間坐標(biāo)已確定的情況下，方案1采用3mm單次折彎結(jié)構(gòu)設(shè)計執(zhí)行器支架。支架材料參數(shù)屬性見表1。

表1 支架材料參數(shù)

3 支架三維模型創(chuàng)建和模態(tài)分析

本文利用CATIA設(shè)計軟件建立支架模型，根據(jù)執(zhí)行器的空間位置，將重心輸入到支架三維模型中。執(zhí)行器重量為0.4402kg，重心位置見圖1。

圖1 支架設(shè)計方案1

3.1 網(wǎng)格劃分

本文利用CATIA創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊（GPS）創(chuàng)建網(wǎng)格。對于結(jié)構(gòu)較為簡單的模型，一般選擇10節(jié)點4面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大小數(shù)值為1.5mm，共產(chǎn)生4754個單元，9085個節(jié)點，劃分結(jié)果見圖2。

圖2 支架有限元模型

3.2 施加載荷和約束

模態(tài)分析的目的就是在負(fù)載情況下，通過計算，模擬出零件的形變情況。有限元分析中載荷、約束必須和物理模型中保持一致。圖1中白色點即為執(zhí)行器物理模型重心，此處模擬為執(zhí)行去振動原點。執(zhí)行器穿過支架三個通孔用螺栓擰緊，三通孔與執(zhí)行器接觸的銳邊可作為三個載荷承受點。支架另一端與壓氣殼是腰型孔連接，螺栓在腰型孔間任意位置安裝，約束時選擇最壞情況-螺栓緊貼同側(cè)腰型孔。完成負(fù)載和約束結(jié)果如圖3。

圖3 支架完全約束負(fù)載

3.3 模態(tài)分析結(jié)果

通過GPS模塊對模態(tài)振動的效果進(jìn)行仿真，只考慮有效的圖像化顯示的高應(yīng)力和位移區(qū)域。如圖4所示，執(zhí)行器支架一階固有頻率為172Hz。根據(jù)客戶提供信息，發(fā)動機為四缸兩沖程，最高轉(zhuǎn)速為5200rpm。根據(jù)公式計算發(fā)動機固有頻率為174Hz。執(zhí)行器支架一階固有頻率低于發(fā)動機點火頻率，產(chǎn)生共振風(fēng)險較大，需優(yōu)化設(shè)計。

圖4 支架一階模態(tài)分析

4 支架設(shè)計變更

如圖4所示，執(zhí)行器支架在雙腰型孔處位移偏移量較大，且支架一階固有頻率略低于發(fā)動機點火頻率，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。點火頻率是發(fā)動機固有頻率的最高值，為避免支架產(chǎn)生共振，建議將支架一階固有頻率控制在點火頻率的120%以上。根據(jù)經(jīng)驗，提出三種設(shè)計變更方案，如圖5所示。

方案2：支架整體壁厚增加1.0毫米；支架的剛性是由材料本身決定的，提升支架剛性最直接有效的方式就是增加支架的厚度。

方案3：在支架安裝孔中間增加加強筋；支架的震源來自于緊固螺栓，振動延螺栓方向垂直于支架平面，在螺栓安裝孔中添加加強筋，施加一個斜向上的力，有效地中和螺栓方向上的振動，提升支架剛性。

方案4：在支架兩端增加翻邊，翻邊高度10.0毫米；與方案3相似，更好地中和兩端螺栓的振動，如圖5所示。翻邊方向為反向平行于螺栓安裝方向和垂直于螺栓安裝方向。施加一個反方向的力和垂直于作用面的力，中和振動。提升支架剛性。

將如上三種方案再次進(jìn)行模態(tài)分析。三種方案一階頻率均達(dá)到設(shè)計要求。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 支架方案2-4

5 成本比較及最終方案確定

使用模態(tài)分析方法，將上述三種方案進(jìn)行振動頻率分析。將分析數(shù)據(jù)和方案基本參數(shù)總結(jié)成表，如表2所示。

方案1：滿足連接執(zhí)行器和壓殼最基本要求，但是該方案一階固有頻率低于發(fā)動機點火頻率。發(fā)動機點火階段支架與發(fā)動機產(chǎn)生共振，影響支架工作壽命。

表2 模態(tài)分析數(shù)據(jù)總結(jié)

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，零件厚度增加1毫米，一階固有頻率顯著提升。但支架質(zhì)量增加明顯。

方案3：在方案1的基礎(chǔ)上增加鼓包，一階固有頻率有所提升，滿足設(shè)計需求。

方案4：在方案1的基礎(chǔ)上添加最小折邊，一階固有頻率大幅提升。因盡可能控制輕量化設(shè)計，折彎處離本體較近，折彎角度小。沖壓模具制造成本增加。

在滿足設(shè)計需求的前提需求下，盡可能使用輕量化設(shè)計降低生產(chǎn)制造成本。結(jié)合表2對比結(jié)果，最終確定方案為：方案3

6 總結(jié)和后續(xù)工作

本文使用CATIA設(shè)計軟件創(chuàng)建支架三維模型，使用設(shè)計軟件自帶創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊（GPS）進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行執(zhí)行器支架設(shè)計變更，優(yōu)化設(shè)計方案。本方法可使用在產(chǎn)品設(shè)計評定之前的任何階段，而且可由設(shè)計人員獨立完成。可大大縮短設(shè)計評定周期，加快項目研發(fā)進(jìn)程。