在三缸发动机振动分析的研究

2018-06-13张兆奎张志斌王悦邴纪秋白冰

时代汽车 2018年11期

张兆奎张志斌王悦邴纪秋白冰

哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心黑龙江省哈尔滨市 150060

1 引言

近年来，国内研发人员不断对发动机技术深入探索，使其性能、技术大幅度得到提高，同时国家法规要求越来越严格，促使各种车辆发动机都朝着小排量、大功率的方向发展，尤其是三缸发动机进行更深一步的研究。由于三缸机的结构决定了工作中总是有两个缸同时工作、另外一个缸单独工作，理论上发动机不可避免的出现振动问题。就算是进行了大量的优化，发动机噪音和振动也将比一般的四缸以上发动机略大。之前的发动机NVH采用长期经验、不断实验、快速围堵等手段反复优化，导致严重制约了研发周期，加大了研发成本。若采用CAE仿真手段，在设计阶段即可引进NVH性能的概念，实现被动抑制向主动控制的转变，对新机型的开发有着重要意义。本文以某三缸汽油发动机为例，依据NVH仿真标准流程和方法，以多体动力学分析和有限元方法为基础，运用Excite软件分析后评估发动机关键点的振动。

文研究对象是直列三缸增压汽油发动机，发动机结构为直列三缸、水冷、四冲程、废气涡轮增压。其缸径为75.5mm，冲程81.84mm，连杆长度131mm，缸间距82mm，如下图1：

图1 几何模型

2 整机有限元建立

本文仅考虑在燃气压力激励下的振动情况，保留的模型包括主要固定零部件：缸体、缸盖、油底壳、摇臂室罩壳、正时罩壳、主轴承盖、凸轮轴轴承盖、进气歧管、排气歧管、悬置支架、涡轮增压器、电机等；以及运动件：曲轴、连杆、活塞、皮带轮、双质量飞轮等。本次仿真分析在于观察三缸机整机的振动状态，同时适合计算机运算，对局部细微特征进行简化。如封闭直径过小的螺栓孔、油路通道等，局部细小结构（如细小的圆角、倒角等）它们对整体的动力学特性影响比较小。

部件间的装配连接，螺栓-垫片-螺栓孔-螺母为最常用的组合连接方式。对于振动分析，避免采用刚性处理方法的tie约束，会造成整机的固有频率结果偏大，而且容易导致运算错误，因此，可采用“梁模型和刚性单元”以及“梁和接触对定义”。此次分析采用Kin-Coupling单元和RBE2单元模拟零部件的装配关系。

使用Hypermesh软件几何整机模型及曲轴系统进行网格划分，曲轴轴瓦及缸套采用C3D8三维8节点六面体单元，其余零部件采用C3D10M三维10节点四面体修正单元。整机有限元模型约55万个三维实体单元和约100万个节点。曲轴系统约为110万个实体单元和200多万个节点，如下图2：

3 振动仿真分析

3.1 建立多体动力学

应用ABAQUS软件进行整机模型自由度的缩减，得到方便计算的整机缩减模型。模型进行ABAQUS缩减后，减了少相关矩阵的阶次，实践表明，工程上是可以接受矩阵缩减所带来的精度降低。并且在Excite运用时可行的。

在Excite PU中建立多体动力学分析模型。在Excite PU中，发动机结构被分为线性的弹性体和连接件两类。对于连接件包含了非线性刚度、阻尼特性的耦合的弹簧阻尼单元REVO、NONL等；约束是通过连接件向弹性体施加的，并考虑施加之间的相互耦合关系；使用缩减自由度方法组成子结构，反映结构的质量和刚度特征；曲轴模型建立是用有限元方法在Excite PU中缩减建立；缸体与曲轴的轴承连接单元采用NONL模型；虚拟底盘主节点通过直接输入的方式建立；发动机的悬置主节点对应虚拟底盘上的悬置主节点，每个悬置的连接单元设置刚度和阻尼曲线，刚度、阻尼特性通过相应的实验获得，建立的多体动力学模型如下图：

图3 整机Excite PU模型

3.2 载荷定义及工况

发动机载荷为外部载荷即缸压数据，一般为试验测得数据。主要是作用在活塞上的气体爆发压力，通过活塞、连杆等机构传到曲轴，使曲轴产生弯曲扭转，从而引起发动机整机机体的不平衡振动。通过LOAD DATA输入发动机不同工况下气缸压力数值。在本分析中仅考虑发动机外部载荷，根据试验测得800、1000、1200、1500、1700、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500rpm转速下的燃气压力曲线，下图为800 RPM转速下缸压曲线示意图。

对于多体动力学模型施加燃气压力载荷，建立完整的计算模型。计算工况1000rpm-5500rpm，每隔500选取一个运转工况进行计算，每个工况计算4个工作循环，对于振动分析，仅保留4-6个循环的计算结果。