内燃机镁、铝合金铸件的振动响应和减振性能的试验研究

谭　伟，米　林，田　铁，王苏磊

(1.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆　400054；2.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春　130022)



内燃机镁、铝合金铸件的振动响应和减振性能的试验研究

谭伟1，米林1，田铁2，王苏磊1

(1.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆400054；2.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022)

摘要：采用发动机台架试验手段，对某型发动机用结构相同的镁合金气门室罩盖和铝合金气门室罩盖在发动机运行状态下的振动响应和减振性能进行了测试和比较，结果表明：在发动机转速超过1 800 r/min的中高转速工况下，AZ91D镁合金罩盖振动响应小于ADC12铝合金罩盖，AZ91D镁合金罩盖的减振性能明显优于ADC12铝合金罩盖，并且随着发动机转速的升高，AZ91D镁合金罩盖的减振性能优势逐渐增大。频谱分析结果表明：在发动机转速超过1 800 r/min的中高转速工况下，镁合金罩盖的减振性能优势主要体现在1 700～2 500 Hz的频带内，在这个频带内镁合金材料的阻尼性能优势得到充分的发挥，这是其减振性能更优的主要原因。

关键词：内燃机；镁合金；罩盖；台架试验；振动响应；减振性能

目前，铝合金和铸铁材料被广泛用于汽车发动机的缸体和壳体类零件的制造中，但是这些材料也存在一些缺点，比如铸铁的密度大，铝合金的阻尼性能较差，难以同时实现结构的轻量化和优良的减振功能。镁合金材料作为一种新型结构材料，具有低密度、高比强度、高比刚度、高阻尼和易于回收等显著优点[1-2]，在汽车制造领域具有广阔的应用前景，它的应用对于降低整车和发动机的质量，提高汽车的舒适性和经济性，并降低汽车排放具有重要的意义[3-5]。目前，镁合金材料已经成为汽车制造领域主要应用的新材料之一，越来越多的汽车零部件开始使用镁合金材料制造，以替代铝合金和铸铁等常规材料。

某型轿车用直列四缸汽油发动机为了降低自身质量，其气门室罩盖的制造使用AZ91D镁合金替代ADC12铝合金，同时替换前后的气门室罩盖的结构和几何尺寸不变，以方便直接替换。研究表明：AZ91D镁合金材料和ADC12铝合金材料的阻尼性能和弹性模量有较大的差别，其中镁合金的阻尼性能约为铝合金阻尼性能的3～5倍[6]，而AZ91D镁合金的弹性模量又明显小于ADC12铝合金。为了解镁合金材料直接替换铝合金材料后气门室罩盖的受迫振动响应特性的变化及定量地研究2种材质罩盖减振性能的优劣，本文对2种材质的罩盖分别装机进行了发动机台架试验，对比测试和研究了2种不同材质的气门室罩在相同的发动机工况下的振动响应，定量地分析和研究了AZ91D罩盖的振动响应及其在减振性能方面的优势，为镁合金材料作为结构和减振一体化材料替代铝合金材料制造发动机大型零部件提供了应用的依据。

1材料替换后气门室罩盖的刚度变化

气门室罩盖的主要作用是密封和降低振动和噪声的传递与辐射，并不是主要的承受发动机工作载荷的零部件，因此对于其制造材料的力学性能要求相对较低，目前使用的材料有铝合金和镁合金，甚至是工程塑料。本研究中直接使用AZ91D镁合金替代ADC12铝合金制造气门室罩盖会导致罩盖的整体刚度有所下降。其中罩盖受到最主要的载荷是罩盖顶部的4个紧固螺栓压紧的静力载荷。以下是基于有限元的方法对镁合金罩盖和铝合金罩盖在螺栓预紧力作用下的变形形式和变形量的计算和分析。

首先对罩盖的结构建立有限元模型，如图1所示，然后分别对镁合金罩盖和铝合金罩盖的4个紧固螺栓安装位置在-Z方向分别施加1 kN和10 kN(根据紧固螺栓的预紧扭矩近似计算得到)的静力载荷，如图1所示，计算了镁合金罩盖和铝合金罩盖的变形形式和最大变形量。

图1　罩盖的有限元模型和边界条件

图2、3分别是两种材质罩盖受到螺栓预紧力的静力载荷下的位移云图和载荷位移曲线。计算结果表明：两种材质的罩盖在静力载荷作用下变形形式是一致的，两者的最大变形位置相同，其中AZ91D镁合金罩盖的最大位移略大于ADC12铝合金罩盖，表明AZ91D镁合金罩盖的整体刚度略小于ADC12铝合金罩盖，材料替换后罩盖刚度的变化极小，镁合金罩盖完全可以满足实际使用要求。

图2　2种材质罩盖的位移云图

图3　2种材质罩盖的载荷位移曲线

2镁合金罩盖和铝合金罩盖振动响应特性分析

单自由度系统简谐激励作用下的强迫振动方程如下[7]:

(1)

强迫振动的振幅

(2)

(3)

式(2)可以变换为式(4)。

(4)

式(4)表明：在相同的简谐激励下，罩盖的刚度、阻尼比、固有频率和激励频率共同影响罩盖振动响应的幅值。AZ91D镁合金的弹性模量和密度分别为45 GPa和1 820 kg/m3；ADC12铝合金弹性模量和密度分别为71 GPa和2 700 kg/m3。根据无阻尼振动系统的固有频率的计算方法，AZ91D镁合金罩盖的固有频率与结构相同的ADC12铝合金罩盖的固有频率极为接近，前者约为后者的95%。因此，两种材质的罩盖的振动响应主要是由其刚度、阻尼比以及激励频率决定的，在两种材质的罩盖刚度和阻尼比确定的情况下，在一定的激励频率范围内，虽然镁合金罩盖的刚度小于铝合金罩盖，但是镁合金罩盖的阻尼性能优势会得到更加充分的发挥，从而使在相同的激励作用下镁合金罩盖的响应幅值小于铝合金罩盖，使得镁合金罩盖具备更优的阻尼减振性能。

3罩盖振动响应的测试与分析

3.1试验的准备

本试验是在由AVL电力测功机控制的排量为1.3 L的直列四缸汽油发动机试验台架上进行的，AZ91D镁合金制气门室罩盖质量为1.76 kg，ADC12铝合金制气门室罩盖质量为2.54 kg。选用江苏联能公司的信号调理器(YE5864B)和加速度传感器(CY-YD-186G)对罩盖的振动响应进行了测试，抗混叠低通滤波频率设定为2.5 kHz，采样频率设定为10 kHz。

该气门室罩盖是由罩盖顶部的4个紧固螺栓压紧并安装在缸盖上，因此罩盖的振动能量主要是从罩盖顶部的4个紧固螺栓以及罩盖与缸盖的结合面传递而来，并且罩盖的垂向是主要的振动方向，由此确定以垂向的振动响应作为主要的测试对象。加速度传感器的安装位置首先应该适合垂直方向的测试，然后便于振动传感器的安装，最后应处于主要的激振力的作用范围，由此确定在罩盖的第1缸和第2缸火花塞之间、第2缸和第3缸火花塞之间的平面上设置2个振动测点，具体的位置如图4所示。

图4　AZ91D罩盖和ADC12罩盖及其振动测点

为了全面了解罩盖的表面振动响应，试验中选取了45种工况，其中选取了15个转速点工况，从1 200～4 000 r/min(发动机的主要工作转速范围)，每个转速点间隔200 r/min，每个转速点工况下选取3个负荷点，分别为30，50，70 N·m。

2种材质的罩盖及其测试台架如图4和5所示。

图5　试验发动机与电力测功机台架

3.2试验结果与分析

3.2.1加速度信号的时域分析与对比

图6是镁合金罩盖在发动机运行工况(3 000 r/min，70 N·m)时2个测点振动加速度的时域信号。

图6　镁合金罩盖的加速度时域信号

时域信号的有效值反映了信号的功率大小，因此测点的振动加速度的时域信号有效值描述了该测点在一个时间段内的振动响应和振动强度的大小。本研究采用振动加速度的时域信号的有效值来描述罩盖表面相应测点处的振动响应大小。时域信号有效值的计算如式(5)所示。

(5)

图7～9是AZ91D罩盖和ADC12罩盖上的2个振动测点在相同的发动机运行工况下振动加速度的有效值计算结果和对比。

图7～9是在转矩恒定的条件下，发动机转速从1 200 r/min至4 000 r/min时2种材质的罩盖对应测点的振动加速度有效值的对比数据。总体可见：随着转速的升高，罩盖的振动响应和振动强度越来越大。

图7　AZ91D罩盖和ADC12罩盖的振动加速度

图8　AZ91D罩盖和ADC12罩盖的振动加速度

图9　AZ91D罩盖和ADC12罩盖的振动加速度

对于罩盖测点1，当转速小于1 800 r/min时，AZ91D罩盖振动加速度的有效值大于ADC12罩盖，表明此时AZ91D罩盖的振动响应大于ADC12罩盖，AZ91D罩盖没有减振性能优势；超过1 800 r/min后，随着发动机转速的升高，AZ91D罩盖的表面振动加速度的有效值逐渐小于ADC12罩盖，并且差值越来越大；当转速为4 000 r/min时，差值最大，并且在该转速的3个负荷状态下AZ91D罩盖的振动加速度有效值平均为ADC12罩盖的84%。当发动机转速高于1 800 r/min时，在相同的发动机运行工况下，AZ91D罩盖的振动响应小于ADC12罩盖，AZ91D罩盖的减振性能明显优于ADC12罩盖。从对比数据中可以看出：随着发动机转速的进一步升高，AZ91D罩盖的减振性能优势有进一步增大的趋势。

对于罩盖测点2，当转速小于2 600 r/min时，AZ91D罩盖振动加速度的有效值大于ADC12罩盖，此时AZ91D罩盖没有减振性能优势；超过2 600 r/min后，随着发动机转速的升高，AZ91D罩盖的表面振动加速度的有效值逐渐小于ADC12罩盖，并且差值越来越大；当转速为4 000 r/min时，差值最大，表明此时AZ91D罩盖的减振性能优于ADC12罩盖。

罩盖振动响应的测试数据表明，两种材质的罩盖承受的交变载荷总体水平较低，使用镁合金替代铝合金制造的罩盖可以满足强度要求。

3.2.2加速度信号的频域对比与分析

图10～13是AZ91D罩盖和ADC12罩盖的振动测点1在发动机运行工况分别为(1 200 r/min，30 N·m)，(1 800 r/min，30 N·m)，(3 000 r/min，30 N·m)，( 4 000 r/min，30 N·m)时的加速度信号的频谱对比。

图10　运行工况为(1 200 r/min，30 N·m)时

从频谱图中可以看出：罩盖的最大激励源是发动机的不平衡的2阶往复惯性力。当发动机转速低于1 800 r/min时，AZ91D罩盖和ADC12罩盖的振动响应在频谱图上没有明显的区别；当发动机转速高于1 800 r/min时，AZ91D罩盖除了2阶往复惯性力的激励响应外，其主要的振动响应集中在低于1 700 Hz的频带内；1 700～2 500 Hz的频带内振动响应极小，而ADC12罩盖在1 700～2 500 Hz频带内的振动响应较大，明显大于AZ91D罩盖，表明AZ91D罩盖在1700～2500 Hz频带内的减振性能明显优于ADC12罩盖，由于AZ91D罩盖在这个频带内的明显优势使得其在整个分析频带内减振性能优于ADC12罩盖。

图11　运行工况为(1 800 r/min，30 N·m)时

图12　运行工况为(3 000 r/min，30 N·m)时

图13　运行工况为(4 000 r/min，30 N·m)时

综合对比两个测点的振动加速度的时域和频域信号，表明AZ91D镁合金罩盖的减振性能优势主要体现在高于1 800 r/min的发动机转速工况，特别是在1 700 Hz以上的频带镁合金的阻尼减振性能优势非常明显。结合式(4)的理论分析结论，在该频带内，镁合金材料的阻尼性能优势能得到充分发挥，这是镁合金罩盖具有更优减振性能的主要原因。

4结论

1) 在发动机的低速工况下，AZ91D镁合金罩盖的振动响应大于ADC12铝合金罩盖，AZ91D镁合金罩盖没有减振性能的优势；在超过1800 r/min的中高转速工况下，AZ91D镁合金罩盖的振动响应小于ADC12铝合金罩盖，AZ91D镁合金罩盖具有明显的减振性能优势，并且随着发动机转速的升高优势逐渐增大。

2) AZ91D镁合金的阻尼性能优势在中高转速工况下以及在1 700 Hz以上的频段得到了充分有效的发挥，实现了在2 500 Hz以下的分析频带内AZ91D镁合金罩盖更优的阻尼减振性能。

3) 在结构和尺寸不变的条件下，使用AZ91D镁合金直接替换ADC12铝合金制造发动机罩盖零件，在力学性能上可以满足罩盖实际使用的要求，同时得到更优的阻尼减振性能，并能降低零件的质量。

参考文献：

[1]刘楚明，纪仁峰，周海涛，等．镁及镁合金阻尼特性的研究进展[J]．中国有色金属学报，2005，15(9)：1319-1325.

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[3]曾荣昌，柯伟，徐永波，等．Mg合金的最新发展及应用前景[J].金属学报,2001,37(7):673685.

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[5]PANTELAKIS S G,ALEXOPOULOS N D,CHAMOS A N.Mechanical performance evaluation of cast magnesium alloys for automotive and aeronautical applications [J].J Eng Mater Technol,2007,129(3):422-430.

[6]张津,陶艳玲,孙智富，等.镁合金AZ91D 的阻尼减振性能[J].机械工程学报,2006,42(10):186- 189.

[7]WILLIAM T.Theory of Vibration with Applications (Fifth Edition)[M].[S.l.]:Pearson Education Asia Limited and Tsinfhua University Press,1998.

(责任编辑杨文青)

Experimental Research on Vibration Response and Vibration Damping Property of Magnesium Alloy Casting and Aluminum Alloy Casting

TAN Wei1, MI Lin1, TIAN Tie2, WANG Su-lei1

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract:The vibration response and vibration damping property of AZ91D magnesium alloy valve cover and ADC12 aluminum alloy valve cover were tested and compared by using engine bench test method. The result shows that the vibration response of AZ91D cover is less than ADC12 cover in middle and high engine speed condition which is greater than 1800 rmp and the vibration damping property of AZ91D cover is greater than ADC12 cover, and as the engine speed increases, the advantage increases. The contrast and analysis of frequency spectrum of acceleration signal shows the advantage of vibration damping property of AZ91D cover mainly concentrates on the band from 1 700～2 500 Hz when the engine speed is greater than 1 800 r/min and the damping capacity advantage of AZ91D magnesium alloy can be used to reduce amplitude sufficiently in the band to be responsible for it.

Key words:IC engine；magnesium alloy；engine cover；bench test；vibration response；vibration damping property

收稿日期：2016-02-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175533)

作者简介：谭伟(1981—)，男，重庆人，博士，助理研究员，主要从事机电系统测试与控制技术研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.002

中图分类号：TK415;TG146.2

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)06-0006-07

引用格式：谭伟，米林，田铁，等.内燃机镁、铝合金铸件的振动响应和减振性能的试验研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(6):6-12.

Citation format：TAN Wei, MI Lin, TIAN Tie,et al.Experimental Research on Vibration Response and Vibration Damping Property of Magnesium Alloy Casting and Aluminum Alloy Casting[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):6-12.