发动机振动特性分析与试验

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1、发动机振动特性分析与试验作者：长安汽车工程研究院    来源：AI汽车制造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CAE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，发动机NVH是个复杂的概念，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面振动直接辐射，另一部分由发动机燃烧和进排气通过空气传播。除此

2、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、前端齿轮/链驱动和变速器激励等，这些结构振动又通过缸盖罩、缸盖、缸体和油底壳等传出噪声。发动机结构振动分析方法简介图1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

3、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围是否合理，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定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，

4、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，其输出用于结构振动分析。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、变速器以及各种外围件的表面振动特性，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，针对其结构振动问题，对其进行结构振动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。2.坐标定义为了便于以后叙述，对动力总成进行了坐标定义（见图2）。图2动力总成坐标系3.动

5、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；其他外围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。图3动力总成有限元模型动力总成固有频率结果通过上表可以看出，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出，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

6、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围部件表面位置安装了传感器。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2000r/min、4500r/min和5500r/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EXCITEPowerUnit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

7、载载荷信息。动力学模型为非线性系统，其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面速度，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。图5主轴承载荷图6气缸爆发压力计算工况选择发动机满载工况，转速从2000r/min到5500r/min，每500r/min计算一次。3．仿真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。

8、图7变速器支架端振动结果比较(2000r/mim)图8变速器支架端振动结果比较(5500r/mim)图9变速器支架端振动结果比较-Campbell从结