某型發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)和發(fā)電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題的分析解決

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

整車在開(kāi)發(fā)路試過(guò)程中，多次出現(xiàn)發(fā)電機(jī)螺栓斷裂的情況(整車路試約300 km)和節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)損壞的問(wèn)題(整車路試約500 km)，從螺栓的斷口來(lái)分析為疲勞斷裂。

1 根本原因分析

首先，對(duì)節(jié)氣門(mén)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速4 500 r/min時(shí)(150 Hz)，節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)部位和發(fā)電機(jī)斷裂螺栓處都存在共振現(xiàn)象,如圖1、圖2所示。

圖1 節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)測(cè)試

圖2 發(fā)電機(jī)底部振動(dòng)測(cè)試

由于節(jié)氣門(mén)和發(fā)動(dòng)機(jī)支架的共振頻率都在150 Hz附近，圖3所示節(jié)氣門(mén)支架將2個(gè)共振頻率相同的結(jié)構(gòu)硬連接后導(dǎo)致了節(jié)氣門(mén)和發(fā)電機(jī)處的振動(dòng)被放大[1]。根據(jù)上述分析，首先取消節(jié)氣門(mén)支架，然后分別解決節(jié)氣門(mén)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在150 Hz時(shí)的振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)處的振動(dòng)問(wèn)題

2 問(wèn)題分析及改進(jìn)解決

2.1 發(fā)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析與解決

發(fā)電機(jī)的振動(dòng)測(cè)試分析：在150 Hz時(shí)，發(fā)電機(jī)振動(dòng)位移為0.408 mm(圖4)，遠(yuǎn)小于0.2 mm的設(shè)計(jì)要求， 致使發(fā)電機(jī)固定螺栓斷裂。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓斷裂處振動(dòng)測(cè)試

為了解決發(fā)電機(jī)處的150 Hz共振問(wèn)題就必須將發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的一階模態(tài)提高到發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速范圍以外(大于200 Hz)，以避免發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在150 Hz時(shí)的共振問(wèn)題?；诖四繕?biāo)設(shè)計(jì)了7種方案，并對(duì)每種方案進(jìn)行CAE分析。

2.1.1 設(shè)計(jì)方案及CAE分析對(duì)比

設(shè)計(jì)方案和CAE分析對(duì)比如表1所示，其結(jié)果如下：

表1 7種設(shè)計(jì)方案及模態(tài)計(jì)算結(jié)果

(1)新電機(jī)支架的第一、二階模態(tài)值均低于原電機(jī)支架 ；

(2)單獨(dú)增加支撐1或支撐2的方案(方案1和方案2)，對(duì)電機(jī)支架模態(tài)值影響較小，約為31% ；

(3)同時(shí)增加支撐1和支撐2的方案(方案3)，有效提高電機(jī)支架的模態(tài)值，約為104% 。

基于上述CAE分析的結(jié)論，決定對(duì)上述方案中的支撐1、支撐2、新發(fā)電機(jī)支架進(jìn)行快速樣件的制作，然后對(duì)方案1、方案2、方案3和方案7共4種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際振動(dòng)測(cè)試。

2.1.2 實(shí)車測(cè)量結(jié)果

發(fā)電機(jī)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，傳感器布置情況如圖5所示。

圖5 傳感器布置情況

在振動(dòng)測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)方案1中發(fā)電機(jī)底部有30 G的振動(dòng)加速度，這一點(diǎn)與CAE分析吻合，發(fā)電機(jī)支架上方的扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重，無(wú)法滿足發(fā)電機(jī)的振動(dòng)要求。方案1經(jīng)過(guò)路試驗(yàn)證發(fā)電機(jī)螺栓斷裂從幾百公里提高到上千公里，但無(wú)法滿足整車使用壽命的要求。方案2中發(fā)電機(jī)頂部的振動(dòng)有24 G的振動(dòng)加速度，無(wú)法滿足發(fā)電機(jī)振動(dòng)加速度小于20 G的要求。方案3在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率下無(wú)共振現(xiàn)象，最大振動(dòng)加速度在20 G以下，在整車路試工況下，最大振動(dòng)位移為0.042 7 mm，滿足設(shè)計(jì)中位移小于0.2 mm要求，方案3后續(xù)通過(guò)整車耐久的驗(yàn)證，滿足整車使用壽命的要求。方案7在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，沒(méi)有共振轉(zhuǎn)速，最大振動(dòng)加速度在20 G以下，且與方案3效果相同，與方案3相比需要更改發(fā)電機(jī)支架，考慮成本因素，方案7不實(shí)施。具體測(cè)試數(shù)據(jù)列于表2。

表2 4種方案的實(shí)際振動(dòng)測(cè)試數(shù)值

2.2 節(jié)氣門(mén)振動(dòng)問(wèn)題分析與解決

經(jīng)過(guò)振動(dòng)測(cè)試，在發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)下，節(jié)氣門(mén)處的振動(dòng)加速度超過(guò)35 G，高于設(shè)計(jì)要求的振動(dòng)加速度<25 G，致使節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)損壞。

基于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題的解決經(jīng)驗(yàn)，首先設(shè)計(jì)了2種方案來(lái)提高節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)的強(qiáng)度，提升系統(tǒng)的固有頻率，避免節(jié)氣門(mén)的共振問(wèn)題。方案1增加新的節(jié)氣門(mén)支架，一階模態(tài)171 Hz。CAE分析如圖6所示。

圖6 新增節(jié)氣門(mén)支架CAE分析

此方案經(jīng)過(guò)振動(dòng)測(cè)試，節(jié)氣門(mén)處仍然有47 G的振動(dòng)加速度，測(cè)試結(jié)果與CAE分析的結(jié)果相符合，此方案仍然無(wú)法滿足節(jié)氣門(mén)振動(dòng)的要求。

對(duì)方案1討論研究后認(rèn)為，目前新設(shè)計(jì)的支架過(guò)于單薄，無(wú)法牽制住節(jié)氣門(mén)過(guò)大的振動(dòng)，所以對(duì)節(jié)氣門(mén)支架重新設(shè)計(jì)加強(qiáng)，制定了方案2，此方案的CAE分析如圖7所示，一階模態(tài)247 Hz，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)共振的頻率的要求。

圖7 方案2的CAE分析

上述方案經(jīng)過(guò)實(shí)車工況振動(dòng)測(cè)試滿足振動(dòng)的要求，最大振動(dòng)加速度小于25 G。

但是在整車路試過(guò)程中，耐久行駛480 km發(fā)生了節(jié)氣門(mén)支架與缸蓋連接的螺栓斷裂的問(wèn)題，CAE分析過(guò)程中未能有效地模擬出螺栓安裝在鋁制缸蓋內(nèi)的強(qiáng)度且不能滿足此系統(tǒng)的安裝固定要求。

圖8 方案3的CAE分析

受限于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，方案2中的螺栓斷裂問(wèn)題由于沒(méi)有進(jìn)一步加強(qiáng)支架強(qiáng)度的空間，同時(shí)也沒(méi)有新增固定螺栓的位置，所以無(wú)法解決。最終決定將節(jié)氣門(mén)目前的安裝位置移動(dòng)到整車的車架上，節(jié)氣門(mén)支架采用焊接連接到車架的方式。由于整車車架上沒(méi)有引起節(jié)氣門(mén)共振的激勵(lì)頻率，只要能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)支架能夠滿足節(jié)氣門(mén)的支撐,同時(shí)避免整車道路的低頻共振就可以滿足設(shè)計(jì)要求[3]。方案3的節(jié)氣門(mén)支架結(jié)構(gòu)的CAE分析結(jié)果如圖8所示，一階模態(tài)140 Hz，滿足整車焊接支架的設(shè)計(jì)要求。

方案3經(jīng)振動(dòng)測(cè)試完全滿足要求，但是位于進(jìn)氣歧管與節(jié)氣門(mén)之間的一端連接軟管由于處于節(jié)氣門(mén)之后，會(huì)受到正負(fù)交變壓力的影響，導(dǎo)致軟管在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中被吸扁后又會(huì)被再次吹漲，軟管的耐久性能無(wú)法滿足要求。3種方案的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 3種方案的實(shí)車工況振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)上述3種方案的對(duì)比分析，節(jié)氣門(mén)的振動(dòng)問(wèn)題通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)固有頻率的方式來(lái)避免在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的共振，通過(guò)驗(yàn)證證明不可行；更換節(jié)氣門(mén)的安裝位置以避免發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)的激勵(lì)共振的方案也驗(yàn)證失敗。因此要解決節(jié)氣門(mén)振動(dòng)的問(wèn)題，就必須使用共振隔離的方式來(lái)解決，通過(guò)共振解耦，使得進(jìn)氣歧管傳遞到節(jié)氣門(mén)的隔振率大于3倍，將振動(dòng)加速度由60 G降低到20 G以內(nèi)，使振動(dòng)滿足節(jié)氣門(mén)使用的要求。

最終通過(guò)將節(jié)氣門(mén)與進(jìn)氣歧管之間的連接改為軟連接的方式，以此來(lái)隔斷進(jìn)氣歧管在150 Hz時(shí)60 G振動(dòng)加速度傳遞給節(jié)氣門(mén)，通過(guò)橡膠軟管的減振后，要求傳遞給節(jié)氣門(mén)處振動(dòng)需要小于20 G， 由于進(jìn)氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min下振動(dòng)較小，所以需要隔振的頻率為60 Hz以上,節(jié)氣門(mén)后進(jìn)氣膠管的剛度為106 N/mm。

圖9 節(jié)氣門(mén)與進(jìn)氣歧管采用膠管連接的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以上理論計(jì)算的結(jié)果，要求隔振膠管的剛度小于106 N/mm。由于直徑在5 mm以內(nèi)進(jìn)氣的膠管在沿中心線方向的剛度值很難達(dá)到要求，為了驗(yàn)證不同長(zhǎng)度膠管的隔振效果，制作了4種長(zhǎng)度的膠管(5 mm、10 mm、15 mm、20 mm)進(jìn)行振動(dòng)的測(cè)試，具體布置情況如10所示。

圖10 傳感器布置位置情況

各種長(zhǎng)度膠管方案振動(dòng)峰值對(duì)比如表4所示。

通過(guò)上述振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，當(dāng)節(jié)氣門(mén)后進(jìn)氣膠管的有效長(zhǎng)度采用10 mm,加上連接長(zhǎng)度，總長(zhǎng)度為40 mm時(shí)，振動(dòng)最小，振動(dòng)加速度小于25 G，滿足振動(dòng)限值的要求。由于膠管的有效長(zhǎng)度很短，同時(shí)避免了膠管由于進(jìn)氣負(fù)壓導(dǎo)致的被吸扁現(xiàn)象。

表4 各種長(zhǎng)度膠管方案振動(dòng)峰值對(duì)比

節(jié)氣門(mén)的振動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)得到了較好的解決，但是質(zhì)量2.3 kg的節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)僅僅通過(guò)一個(gè)10 mm壁厚的膠管懸空連接的話，整車耐久性無(wú)法達(dá)到要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)氣門(mén)的支撐支架用于節(jié)氣門(mén)的固定，為了避免和方案2一樣出現(xiàn)節(jié)氣門(mén)的振動(dòng)通過(guò)支架傳遞給固定螺栓而導(dǎo)致螺栓斷裂的情況。需要隔斷傳遞給固定螺栓的振動(dòng)，節(jié)氣門(mén)通過(guò)有效長(zhǎng)度10 mm膠管連接后在最大振動(dòng)點(diǎn)的頻率為133 Hz。為了隔斷此頻率，節(jié)氣門(mén)支架橡膠墊的剛度為803 N/mm。

帶橡膠隔振機(jī)構(gòu)的節(jié)氣門(mén)支架，如圖11所示，節(jié)氣門(mén)與支架之間通過(guò)3個(gè)減振橡膠墊連接。

圖11 帶橡膠隔振機(jī)構(gòu)的節(jié)氣門(mén)支架結(jié)構(gòu)示意圖

單個(gè)橡膠減振墊的剛度為226 N/mm，因此節(jié)氣門(mén)支架的總橡膠減振機(jī)構(gòu)的剛度為678 N/mm，剛度滿足設(shè)計(jì)要求。單個(gè)橡膠減振墊的剛度測(cè)試如圖12所示。

圖12 單個(gè)橡膠減振墊的剛度測(cè)試情況

對(duì)于新的節(jié)氣門(mén)連接系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試如圖13所示。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果為X軸振動(dòng)加速度為24.1 G(5 550 r/min)，Y軸和Z軸無(wú)振動(dòng)。

圖13 單個(gè)橡膠減振墊的剛度測(cè)試

原整機(jī)狀態(tài)下的節(jié)氣門(mén)處的振動(dòng)達(dá)到了60 G，導(dǎo)致整車在路試過(guò)程中節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)部件由于振動(dòng)超標(biāo)而快速損壞，改進(jìn)后節(jié)氣門(mén)處的振動(dòng)小于25 G，滿足節(jié)氣門(mén)振動(dòng)限值的要求，通過(guò)多輪整車耐久的考驗(yàn)和售后市場(chǎng)的驗(yàn)證。本方案巧妙地通過(guò)使用橡膠軟管減振連接的方式，有效避免了進(jìn)氣歧管將過(guò)大的振動(dòng)傳遞給節(jié)氣門(mén)，同時(shí)通過(guò)減振支架的設(shè)計(jì)，最終有效阻隔了節(jié)氣門(mén)振動(dòng)的傳遞路徑，避免了由于過(guò)大的振動(dòng)傳遞導(dǎo)致螺栓斷裂的問(wèn)題。

3 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車振動(dòng)的主要來(lái)源，自身振動(dòng)頻率覆蓋范圍較寬，所以對(duì)于安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的零件，在設(shè)計(jì)安裝時(shí)就必須考慮避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率，以免出現(xiàn)共振的問(wèn)題[4]。

固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上的零件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為2大類：

(1)安裝點(diǎn)振動(dòng)很小，符合零件的振動(dòng)要求。由于安裝位置的振動(dòng)本身滿足零件的振動(dòng)要求，此時(shí)只需要注意設(shè)計(jì)安裝零件的支架時(shí)，支架本身的固有頻率大于發(fā)動(dòng)機(jī)的自振頻率，確保不會(huì)因?yàn)榘惭b位置的振動(dòng)經(jīng)過(guò)支架傳遞過(guò)程中出現(xiàn)共振的問(wèn)題。

(2)安裝點(diǎn)振動(dòng)幅值與振動(dòng)加速度很大，不符合零件的安裝要求。零件直接通過(guò)剛性支架安裝時(shí)振動(dòng)肯定超標(biāo)，這樣就需要設(shè)計(jì)帶減振作用的支架用于吸收固定點(diǎn)的振動(dòng)，基點(diǎn)的振動(dòng)經(jīng)過(guò)減振支架后傳給零件的振動(dòng)被隔振后能夠滿足零件對(duì)于振動(dòng)的要求，這樣才能保證零件的振動(dòng)不超標(biāo)。