基于模态分析的发动机装饰罩总成结构优化

2020-06-23□陈馨□林浩

机械制造 2020年6期

□ 陈馨 □ 林浩

北京北汽越野车研究院有限公司北京 101300

1 存在的问题

发动机装饰罩安装在发动机上方,用于遮挡发动机上的复杂管路,美化发动机舱。同时,发动机装饰罩内附有隔声棉,可降低发动机噪声[1]。另外,发动机装饰罩可隔离发动机热量,避免热量传递至引擎盖上,保护引擎盖油漆[2]。发动机装饰罩在汽车,尤其是在国产汽车上得到较多的应用。

在汽车行驶过程中,发动机装饰罩一方面受到因路面不平、行驶速度和方向变化而产生的路面激励,另一方面受到发动机工作时产生的振动激励,当这些激振频率与发动机装饰罩固有频率接近时,将会产生共振[3-4]。共振一旦发生,轻者会产生噪声,重者会造成零部件损坏,影响发动机装饰罩正常工作[5]。笔者公司某款车在综合耐久试验中,在越野路强化路段出现发动机装饰罩减振垫脱落、开裂,以及装饰罩脱落的情况。考虑到越野路行驶条件差,路面颠簸严重,发动机振动较大,初步判断振动是造成发动机装饰罩减振垫脱落、开裂,以及装饰罩脱落的主要原因。为了验证判断,笔者应用仿真软件对发动机装饰罩总成进行模态分析,发现发动机装饰罩一阶固有频率在路面激励范围内。根据分析结果对发动机装饰罩总成结构进行设计优化,解决了发动机装饰罩减振垫脱落及开裂的问题,保证了公司产品的开发进度。

2 模态分析基本理论

模态分析是用于确定结构振动特性的一种技术,通过模态分析可以得到结构的固有频率、振型,是所有动力学分析的基础内容。通过模态分析,可以在结构设计时避免共振发生,或者使结构以特定的频率进行振动[6-7]。通用的运动微分方程为[8-9]:

(1)

由式(1)可以得到无阻尼下结构的固有频率方程为:

([K]-ω2[M]){u}=0

(2)

式中:ω为结构固有频率。

求解式(2),可以得到结构的各阶固有频率和相应的振型。

3 发动机装饰罩总成模态分析

对发动机装饰罩总成进行模态分析,首先应用HyperMesh软件对发动机装饰罩总成有限元模型进行网格划分和边界设置,然后应用ABAQUS软件求解器进行求解,得到发动机装饰罩总成的固有频率和振型。发动机装饰罩有限元模型包括发动机装饰罩、减振垫、连接支架、螺栓等部分,如图1所示。

▲图1 发动机装饰罩有限元模型

发动机装饰罩前侧与发动机上的安装点距离较近,直接由发动机装饰罩内部伸出的塑料支架通过减振垫和球头螺栓与发动机连接。受结构布置影响,发动机装饰罩后侧离发动机较远,采用独立支架与发动机装饰罩进行铆接,再通过减振垫和球头螺栓与发动机连接。减振垫内嵌于发动机装饰罩的连接支架内,球头螺栓球头部分嵌入减振垫,螺纹部分与发动机连接。由于发动机刚度大,将发动机简化为安装块,并进行全约束。全部部件采用二阶四面体单元模拟,发动机装饰罩和连接支架材料均为尼龙,减振垫材料为三元乙丙橡胶,螺栓及螺母材料为钢。各部件间按实际连接情况采用绑定连接。应用兰乔斯算法进行模态提取,计算得到发动机装饰罩总成的前五阶固有频率,见表1。一阶固有频率为20.05 Hz,振型主要表现为发动机装饰罩两侧振动,如图2所示。通常试验场路面激励频率范围为0～20 Hz,发动机的怠速激励频率为25 Hz,由此可知振动主要是由路面激励引起的。在24通道台架试验中,发动机装饰罩仍发生脱落现象,验证了以上推断。

表1 发动机装饰罩总成前五阶固有频率

▲图2 发动机装饰罩总成一阶振型

由以上分析结果可以看出,发动机装饰罩总成一阶固有频率基本与试验场路面激励频率范围有重叠,在车辆行驶过程中产生共振,是造成发动机装饰罩脱落的主要原因。可见,需要提高发动机装饰罩总成一阶固有频率,以避开路面激励频率。在提高一阶固有频率的同时,还要避开发动机怠速激励频率25 Hz。考虑一定安全裕度,发动机装饰罩总成一阶固有频率应高于30 Hz。发动机装饰罩的工作状态取决于自身的质量、刚度及约束,可以从这三个方面对发动机装饰罩总成进行优化。

发动机装饰罩总成一阶振型为两侧抖动,观察结构发现,发动机装饰罩安装点集中在前后中线上,离发动机装饰罩边缘过远,两侧没有足够的约束。通常发动机装饰罩安装点与装饰罩边缘距离小于150 mm,特殊情况下允许一个安装点与发动机装饰罩边缘距离为150～250 mm[10]。发生问题的发动机装饰罩安装点与装饰罩边缘距离在204.6～264.0 mm之间,大大超过了要求距离,且安装点集中在发动机装饰罩中线上。因此,需要缩短发动机装饰罩安装点与装饰罩边缘的距离,以此来增强发动机装饰罩两侧的约束,同时增大发动机装饰罩插拔力。

对于减轻发动机装饰罩质量,可以通过减小发动机装饰罩厚度来实现。

增大发动机装饰罩总成刚度的做法包括在发动机装饰罩上增加加强筋、增大发动机装饰罩与发动机的连接刚度等。

4 结构优化

考虑到发动机布置、开发时间和成本的限制,发动机装饰罩总成结构优化方案如下。

将发动机装饰罩上的安装点向外移动,移动距离A为106.7 mm,B为125.3 mm,C为80.0 mm,D为81.7 mm,如图3所示。此时四个安装点距发动机装饰罩边缘的距离分别为157.3 mm、119.0 mm、145.0 mm、122.9 mm,满足距离要求。发动机上螺栓安装位置不变,去除原发动机装饰罩上的连接支架,在发动机与发动机装饰罩之间增加两个钢支架进行过渡连接。发动机装饰罩与钢支架通过减振垫和球头螺栓连接在钢支架两端,钢支架与发动机直接通过螺栓连接,由此缩短发动机装饰罩安装点与装饰罩边缘的距离,并增大发动机装饰罩与发动机间的连接刚度。