发动机振动特性分析与试验

发动机振动特性分析与试验

作者：长安汽午工程研尤院 來源：AI 汽车•制适业

完善的项目前期工作预示着更少的项目 后期风险，这也是工作的重要意义之一。

在整机开发的前期（概念设计和布置设计阶段），由于没有成熟样机进行NVH 试验，很难 通过试验的方法预测产品的NVH 水平。因此，通过仿真的方法对整机NVH 性能进行分析 甚至优化显得十分重要。

众所周知，NVH 是个复杂的槪念，包括发动机的振动、噪声以及个体对振动和噪声的主观 评价等。客观地说，噪声与振动也相互联系，因为发动机一部分噪声由结构表而振动直接 辐射，另一部分由发动机燃烧和进排气通过空气传播。除此之外，发动机附件（如风扇） 也存在噪声贡献。本文仅考虑发动机结构振动问题，即在主轴承载荷、燃烧爆发压力和运 动件惯性力的作用下，对发动机结构振动进行分析以及与试验的对比。发动机结构噪声的 激励源主要包括燃烧爆发压力、气门冲击、活塞敲击、主轴承冲击、前端/链驱动和激励等, 这些结构振动又通过缸盖罩、缸盖、缸体和汕底壳等传出噪声。

发动机结构振动分析方法简介

图发动机结构振动分析方法

如图1所示，发动机结构噪声分析方法包括以下几个步骤:

1. 动力总成FE 建模及模态校核

建立完整的短发动机和变速器装配的有限元模型；对该有限元模型进行模态分析，通过分 析结果判断各零件间连接是否完好：通过分析结果判断动力总成整体模态所在频率范圉是 否合理，零部件的局部模态频率是否合理，若存在整体或局部模态不合理的情况，需要对 结构进行初步更改或优化。

2. 动力总成模态压缩

动力总成结构撮动分析

（结果评判G

动力总成力学分析

缩减有限元模型，得到动力总成的刚度、质量、几何以及自由度信息，用于多体动力学分析。

3.运动件简化模型建立

发动机中的部分动件不用进行有限元建模，可作简化处理，形成梁-质量点模型，用于多体动力学分析。其中包括：活塞组、连杆组和曲轴及其前后端。

4.动力总成多体动力学分析

在泄义了动力总成各零部件间连接并且已知各种载荷的情况下，对动力总成进行时域下的多体动力学分析，并对得到的发动机时域和频域下的动态特性进行评判，同时，其输岀用于结构振动分析。

5.动力总成结构振动分析

基于多体动力学分析结果，对整个动力总成有限元模型进行强迫振动分析，得到发动机本体、变速器以及各种外用件的表面振动特性，进行评判和结构优化。

实例分析

1.分析对象

以一款成熟的直列四缸1.5L发动机为平台，针对苴结构振动问题，对英进行结构振动CAE 分析，并与其台架试验结果相比较。发动机的部分参数如下：缸径75mm,冲程85mm, 缸间距84mm,最大缸压6MPa u

2.坐标定义

为了便于以后叙述，对动力总成进行了坐标左义（见图2）。

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图2动力总成坐标系

3.动力总成有限元建模及模态校核

整个动力总成包括42万节点和54万单元。其中，缸体、缸盖和缸盖罩为六面体单元：油底壳、进排气歧管为四边形壳单元：变速器及支架为二阶四面体单元：其他外用零件则简化为质量点，并通过梁单元与机体相连。图3为其有限元模型，模态分析结果和试验结果如表所示。

动力总成固有频率结果

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图3动力总成有限元模型

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223302试验结果/fc200220294相对證值2■硏 1.4% 2.7%

通过上表可以看出，CAE分析和模态试验得到的动力总成主要模态结果比较接近•在允许的误差以内。所以，此模型具有可信性，可以用于强迫响应计算。当然，从分析和试验的结果也可以看岀，本款发动机的整体弯曲模态偏低，有必要进行结构优化。

动力总成动力学分析

1.整机台架振动试验

在半消声室中进行整机振动测试（见图4），其中，对多处重要的发动机及其外帀部件表而位巻安装了传感器。本实例选择了3处传感器位置进行分析，包括变速器支架端（三向传感器）、差速器底部（三向传感器）以及缸体群部中部（单向传感器）。传感器输出为速度信号。试验中测试了发动机在2 000r/min. 4500r/min和5 500r/min共3个转速下的振动特性，其中，每个转速下分别对空载、半载和满载进行了测试。

图4台架及部分传感安装

2.动力学仿真分析

通过EXCITE Power Unit建立的动力学模型主要包括发动机零部件、零部件间连接和加载载荷信息。动力学模型为非线性系统，苴中包括所有的线性零部件和部分非线性的零部件连接。

由于客观条件的限制，加载载荷只考虑了燃烧压力、主轴承载荷，而配气机构载荷、变速 器载荷和活塞敲击没有考虑在内。另外，分析得到的结果为动力总成的表而速度，用于与 试验结果进行对比。主轴承载荷和气缸爆发压力见图5、图6。

MB Force

TawForoe ・¥[N] - ToWFxce ・Z[N)

0.35

04

0.45

0.5

0.55

0J 0 0.M 0.7 0.75 03

Time[s|

图5主轴承戦荷

•380 -270 -190 -90 0 90

180 270 360

Crank Angle[degl

图6气缸爆发圧力

汁算工况选择发动机满载工况，转速从2 000r/min 到5500r7min,每500r/min 计算一次。

3. 仿貞•结果与试验结果的比较

（1）变速器支架端振动结果比较

仿真和试验的1/3倍频程结果和Campbell 如图7〜9所示。

NmolL

豆

JBi

8050^0302010