渦輪增壓執(zhí)行器支架振動(dòng)分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

吳元杰

摘 要：在有限的空間范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)一款合適的支架連接渦輪增壓執(zhí)行器和渦輪殼。為降低支架在使用過(guò)程中斷裂風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，運(yùn)用振動(dòng)模態(tài)分析軟件對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行預(yù)先模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化支架設(shè)計(jì)，滿足模塊設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：支架;模塊設(shè)計(jì);振動(dòng);模態(tài)分析

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(lái)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(yùn)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(yùn)行，執(zhí)行器的固定位置和固定方式是兩個(gè)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(dòng)帶來(lái)的零件疲勞破壞。但是渦端靠近發(fā)動(dòng)機(jī)出氣端，工況惡略，空間局促。柴油機(jī)渦端進(jìn)氣溫度大約在750℃，周圍溫度接近500-600℃。汽油機(jī)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(dòng)帶來(lái)的疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)增大。通常我們?cè)O(shè)計(jì)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?？紤]振動(dòng)可能帶來(lái)的疲勞失效，支架式固定和鑄件集成式固定執(zhí)行器都會(huì)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(dòng)，對(duì)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(jī)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(guò)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(guò)度方式。在滿足安裝和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，避開發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率。根據(jù)公式，點(diǎn)火頻率（f）= 每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）/60*缸數(shù)（N）/2。

早前由于設(shè)計(jì)軟件功能限制，設(shè)計(jì)工程師只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)支架，通過(guò)加厚、翻邊等方式提高一階固有頻率。產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yàn)，該階段周期長(zhǎng)，失效種類多，針對(duì)性的解決問題比較困難?，F(xiàn)如今部分有限元分析模塊已集成到設(shè)計(jì)軟件中，在保證計(jì)算精度的情況下，達(dá)到CAD和CAE模塊轉(zhuǎn)換的無(wú)縫對(duì)接。設(shè)計(jì)工程師在完成支架設(shè)計(jì)后即可對(duì)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(jì)軟件中的創(chuàng)成式結(jié)構(gòu)分析模塊（GPS）對(duì)執(zhí)行器支架進(jìn)行應(yīng)力及振動(dòng)頻率分析，為優(yōu)化執(zhí)行器支架設(shè)計(jì)，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(dòng)理論得知：一個(gè)線性振動(dòng)系統(tǒng)，按自身某一階固有頻率作自由諧振時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將具有確定的振動(dòng)形態(tài)（簡(jiǎn)稱振型或模態(tài)）。模態(tài)是工程結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)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(gè)復(fù)雜的振動(dòng)還可以分解為許多的模態(tài)疊加。一般地，以振動(dòng)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(guò)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(dòng)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(yùn)動(dòng)方程組，能夠變?yōu)橐唤M彼此獨(dú)立的方程，每個(gè)獨(dú)立方程只含一個(gè)獨(dú)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(lì)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(diǎn)在于，它能用較少的運(yùn)動(dòng)方程或自由度數(shù)，直觀、簡(jiǎn)明且十分精確的反應(yīng)一個(gè)比較復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而大大減少測(cè)量、分析及計(jì)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(jì)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(jì)執(zhí)行器支架。支架材料參數(shù)屬性見表1。

3 支架三維模型創(chuàng)建和模態(tài)分析

本文利用CATIA設(shè)計(jì)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。

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(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的模型，一般選擇10節(jié)點(diǎn)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(gè)單元，9085個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分結(jié)果見圖2。

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(guò)計(jì)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(diǎn)即為執(zhí)行器物理模型重心，此處模擬為執(zhí)行去振動(dòng)原點(diǎn)。執(zhí)行器穿過(guò)支架三個(gè)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(gè)載荷承受點(diǎn)。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(shí)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。

3.3 模態(tài)分析結(jié)果

通過(guò)GPS模塊對(duì)模態(tài)振動(dòng)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(dòng)機(jī)為四缸兩沖程，最高轉(zhuǎn)速為5200rpm。根據(jù)公式計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率為174Hz。執(zhí)行器支架一階固有頻率低于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率，產(chǎn)生共振風(fēng)險(xiǎn)較大，需優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 支架設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。點(diǎn)火頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)火頻率的120%以上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，提出三種設(shè)計(jì)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(qiáng)筋;支架的震源來(lái)自于緊固螺栓，振動(dòng)延螺栓方向垂直于支架平面，在螺栓安裝孔中添加加強(qiáng)筋，施加一個(gè)斜向上的力，有效地中和螺栓方向上的振動(dòng)，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(dòng)，如圖5所示。翻邊方向?yàn)榉聪蚱叫杏诼菟ò惭b方向和垂直于螺栓安裝方向。施加一個(gè)反方向的力和垂直于作用面的力，中和振動(dòng)。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(jì)要求。仿真結(jié)果如圖6所示。

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(dòng)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火階段支架與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振，影響支架工作壽命。

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(jì)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(jì)，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(jì)需求的前提需求下，盡可能使用輕量化設(shè)計(jì)降低生產(chǎn)制造成本。結(jié)合表2對(duì)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(jì)軟件創(chuàng)建支架三維模型，使用設(shè)計(jì)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(jì)變更，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本方法可使用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)定之前的任何階段，而且可由設(shè)計(jì)人員獨(dú)立完成?？纱蟠罂s短設(shè)計(jì)評(píng)定周期，加快項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[2]田生，楊國(guó)旗，楊迪等.渦輪增壓器支架降本優(yōu)化分析. 現(xiàn)代零部件，2012年第5期.