基于LMS Test.Lab 的某三缸汽油机增压器油管振动问题优化

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西 柳州 545007）

引言

随着国家排放法规的愈加严格，以及车用汽油机制造技术的大力发展，发动机的气缸数量早已不再是评判动力的重要标准，三缸发动机也因此逐渐回归到人们的视线中。与传统的直列四缸发动机相比，三缸发动机由于自身不平衡特性，除了要受到1.5 阶燃烧激励引起的振动问题，还要受到1 阶不平衡力矩带来的振动问题，这些振动问题如果不能够很好地解决，会导致整车、整机及零部件的振动噪声问题，也给零部件的可靠性带来诸多威胁。三缸机由于缺少了一个缸，为达到动力要求，则需要采用如缸内直喷，涡轮增压等技术去弥补少缸带来的动力短缺，这些新技术也对动力总成的NVH 开发提出了新的挑战[1]。同时，发动机管路系统作为发动机系统的核心部件，发动机工作环境通常十分恶劣，振动因素也因此成为发动机管路及管路支架断裂的主要原因[2]。本文针对某三缸汽油机增压器进油管在台架运行时出现的断裂现象，利用LMS Test.lab 软件对增压器进油管进行振动测试，根据振动分析结果，对增压器进油管进行优化设计，达到降低管路振动的目的，避免了管路故障的发生。

1 振动故障机理

要对机械故障进行诊断，首先就要对故障产生的机理进行研究。发动机管路振动故障，是由于发动机管路的各种振动导致的。引起管路振动故障的原因主要分为外界振动、流体脉动、耦合振动和系统共振。对于发动机外部管路系统，引起振动的原因比较复杂，本文重点从管路结构方面，研究该发动机增压器进油管路中比较常见的外界振动及系统共振。

1.1 外界振动

在发动机工作过程中各个零部件产生的各种机械振动、受到气流等外界因素的影响出现的各种机械振动、发动机管路与其周边的物体发生碰撞产生的各种机械振动均称为外界振动。当这些管路外界因素引起的振动负载作用在发动机管路上时，就容易引起管路结构的低频振动并使管路产生振动，这些较大幅值的振动会导致管路出现卡箍破裂甚至脱落以及管路连接结构的脱落，引起发动机管路的故障。

1.2 系统共振

管路振动故障产生的另一个重要原因就是系统共振。当外部环境对发动机的激励频率接近发动机管路的固有频率时就会产生共振。同时，由于发动机外部管路的管壁较薄，共振容易使管路受到非常大的径向力，会导致管路薄弱位置产生破裂，造成极大安全隐患[3]。

2 振动测试

某增压发动机在台架上出现增压器进油管断裂的现象，断裂位置在进油管出口处，如图1 所示。因此，对此发动机进油管进行振动测试查找原因。

图1 增压器进油管断裂位置

测试在发动机台架上进行，测试前按照重点关注的振动位置将4 个三向加速度传感器分别布置在增压器进油管进口、增压器进油管出口、缸体进气侧及缸体排气侧，然后运用LMS Test.Lab 软件对某增压发动机进行振动测试。发动机运行工况是由1 000 r/min 全负荷加速到额定转速。

2.1 测量点振动结果分析

某增压发动机各测点振动结果如图2 所示，各测点振动幅值随转速的升高而升高，在额定转速下达到最大值；缸体的振动较为平稳；进油管进口X 方向、Z 方向及进油管出口X 方向、Y 方向振幅偏大，振动最大达到30 g，由此可确定进油管断裂是由于管路振动过大引起的。

图2 某增压发动机各测点振动结果

从图2 可以看到，在1 165r/min 及1 410r/min 下存在共振。经频谱分析发现，在1 165r/min 时的共振频率为29Hz，1 410r/min 时的共振频率为35Hz，如图3、4 所示。均为该三缸发动机的1.5 阶点火激励造成的。由于进油管进口是通过螺栓固定连接在缸体上的，三缸发动机的点火激励通过螺栓传递到管路上，从而引起管路振动。

图3 1 165r/min 的频谱图

图4 1 410r/min 的频谱图

考虑到试验中采用的是全负荷工况，在低转速全负荷时,三缸发动机1.5 阶点火激励的不平衡性增大，导致振动在低转速下存在有微小峰值[4]。在台架上只有通过降低负荷才能减少振动。搭载在整车上时发动机很少出现低转速高负荷的工况，需进一步研究。而管路振动最大的位置是在高转速下，这是造成管路断裂的主要原因。

经观察，振动过大的方向均为沿管路方向，如图5 所示。是由于管路两端相互的振动拉扯作用导致的振动偏大。

图5 某增压发动机增压器进油管走向

2.2 增压器进油管CAE 分析

将数模导入Abaqus 对该增压器进油管进行模态分析进一步验证猜测，分析结果如图6 所示。

图6 增压器进油管CAE 分析结果

由分析结果可以看出，在增压器进油管竖直段上的管路位移变形量最大。在该位置增加软管可以达到衰减振动，减小振动位移的效果。图7 为改进前后的增压器进油管。

图7 改进前后的增压器进油管

3 优化方案振动测试

将优化后的增压器进油管搭载到同一发动机上，在相同位置上布置传感器进行振动测试，测试工况相同。各测点振动曲线如图8 所示。

图8 优化后各测点振动曲线

优化后各测点的振幅随转速的升高而增大，依然显示为沿管路方向振动偏大，而最大振幅降至21g左右。

优化前后的进油管进出口测点的振动曲线对比如图9 所示。对比发现，优化前后的增压器进油管进口Y 方向及增压器进油管出口Z 方向振动曲线无明显差异，振动幅值较低。沿管路走向方向的振动曲线在中低转速下也无明显差异，而在高转速下相差很大，优化后的振幅明显小于优化前的振幅。

图9 优化前后振动曲线对比

可见,优化后的增压器进油管由于中间软管的作用使得在高转速下的振动在沿管路方向上得到衰减,最大转速下的振动降低8g 左右，达到降低管路振动的目的，进油管的振动特性有明显的提升。

4 结论

1）增压器进油管路断裂是由于振动振幅过大导致，测点最大振幅达30g。且振动方向沿管路走向。

2）三缸发动机的1.5 阶点火激励通过增压器油管螺栓传递到管路上，从而引起管路共振。

3）CAE 分析找到增压器进油管路薄弱位置，对该位置进行优化后，振动试验验证振幅降低8g，振动特性明显改善。

本文利用LMS 测试系统对三缸增压发动机增压器进油管进行了振动测试，证明了进油管故障是由于振动过大造成的。通过CAE 分析找到振动的关键位置，对进油管关键部位进行合理优化后，试验验证其振动特性已得到有效改善。