内燃机模态的振动规律研究

【摘 要】本文在结合内燃机相关领域的研究，应用专业软件，根据实际内燃机主要结构特点建立动力总成的三维实体模型，并利用模态分析技术得到内燃机总成的固有频率、主模态等参数，掌握其振动规律，为进一步减小振动，降低噪声打下基础。

【关键词】内燃机；振动；模态分析

中图分类号： TK401 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）32-0057-002

【Abstract】In this paper， based on the research in the related fields of internal combustion engine， using the professional software， the three-dimensional solid model of the powertrain is established according to the actual structure of the internal combustion engine. The modal analysis technique is used to get the natural frequencies， Grasp its vibration law， lay the foundation for further reducing vibration and reducing noise.

【Key words】Internal combustion engine； Vibration； Modal analysis

隨着汽车向高速化和轻质化方向发展，振动噪声问题日益突出，人们对振动和噪声的控制要求也越来越严格。因此，振动分析理论越来越到重视。汽车行驶的平顺性、乘坐舒适性、内燃机的减振和隔振更离不开振动分析。内燃机是整车主振源之一，汽车行驶时因路面不平、气缸内燃气压力、运动件的不平衡惯性力周期变化的结果都会使内燃机整机系统和曲轴系统产生振动，其悬置隔振性能的优劣直接关系到内燃机振动向车体的传递。通过以内燃机及其悬置系统为研究对象，探讨其在参数改变时的振动规律，在理论上和实际中都有较大意义。

1 研究现状

目前，我国在研究汽车动力总成振动问题时常用到以下几种方法，包括拉格朗日方程分析法，有限元分析法，模态分析法，动态子结构分析法。它基本思路是建立数学模型后建立运动方程，并对运动方程求解，从而得到响应规律；动力总成实验分析法：一方面可以直接测量振动系统的振动响应，并进行分析以了解机械振动的特性，称振动分析。另一方面用已知振源去激励研究对象，并测取响应以了解系统的特性，称系统识别，其步骤如下：选激振源，对振动系统分析，研究测点，布置传感器，测取信号，进行分析处理，对分析作结论；动力总成振动系统的动态仿真：其对动力总成实体建立模型，并选取材料之后进行分析，通过改变传递系统的初始条件来分析动力总成响应的变化规律，从而制定出最佳状态的隔振和减振措施。

在动力总成悬置的优化设计方面，国内外已经做了大量的研究工作，技术已经比较成熟，随着材料、工业控制技术、加工工艺及相关减振技术的发展，各种新型的内燃机悬置系统层出不穷，满足了各式动力总成系统在减振性能上不同的要求，比如钢丝网悬置、钢丝绳悬置、液汽悬置、电流变悬置、磁流变悬置、压电材料悬置、电磁悬置及其各种类型的悬置[25-27]。

但是，内燃机悬置系统的优化也有其局限性，大部分的研究仅考虑模拟成线性刚度和阻尼的弹性悬架系统的优化，如Suresh等用液压悬架来优化内燃机悬置系统，考虑了液压悬置的线性从属频率、阻尼特性，而没有考虑弹性悬置的非线性刚度、阻尼和从属频率。正如Rivin所指出的那样，在悬置刚度中，内燃机总重、重心的位置与实际车辆的惯性运动存在很大的偏差，它们的偏差将大大影响内燃机悬置系统的优化结果，并导致其实际应用受到限制。

2 内燃机总成的模态分析

机械系统的振动特性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼。实际机械结构的这些性质都是比较复杂的，为了能运用数学工具对它们的振动特性进行分析计算，需要将实际系统作一定程度的简化：忽略次要因素，简化其质量、刚度、阻尼等参数的性质和分布规律，建立起既能反映实际系统的动力学特性又有可能进行计算的动力学模型。当一个实际振动系统比较复杂时，建立的模型越复杂，越能接近实际情况，也越能进行逼真的模拟，但往往使分析困难；建立模型越简单，分析越容易，但得到的结果可能不精确。建立的模型中，总是在求得简化表达和逼真模拟二者之间的折衷。

因此本文根据实际内燃机总成主要结构特点，采用专业软件建立三维6自由度模型，利用有限元分析法，得到内燃机总成的模态，从而为进一步减振降噪奠定基础[37]。

2.1 内燃机总成实体模型的建立

2.2.1 内燃机总成在车架上的支撑

为了减少内燃机总成振动对车架的影响，内燃机总成大都是用弹性支撑安装在车架上的。总成的弹性支撑采用橡胶悬置，安装它时，一端安装在车架上，一端安装在动力总成上。橡胶垫在空间三维上都有弹性，由于动力总成的各点位置相距较远，故常略去支撑垫的扭转弹性，而把橡胶悬置简化沿空间三个有弹性轴的弹簧，此三轴称为橡胶垫的弹性主轴分别用p，q，r来表示。

若把内燃机总成的振动当作自由振动分析时，阻尼可略去，常把橡胶垫假设为一种无阻尼的线性弹簧元件，于是内燃机总成悬置系统就可以简化为如图2-2所示的力学模型，并设定车架为绝对刚体，具有无限质量，其位置可用质心O的3个直角坐标X、Y、Z以及饶过质心平行于定坐标轴的3个动坐标转角来θX、θY、θZ表示，因而内燃机总成具有6个自由度。

2.2.2 内燃机总成实体模型的建立

系统之所以会产生振动，从外部条件看是因为系统受到了外界的激励，从内部条件看是由于系统具有质量和弹性。从能量的转化过程来看，外界对系统的激励就是对系统做功，这个功被储存到系统中，其中一部分转化为质量块的动能；另一部分转化为弹性件的变形势能。反复振动过程就激励功、动能和势能之间的不断转换。如果系统没有阻尼，只要给系统以初始激励，振动就一直延续下去；若系统具有阻尼，而系统又没有持续的从外界获得能量，振动将在经历一段时间之后中将停止。由此可见，激励、质量、弹性和阻尼是振动系统的四大要素。因此从实际的机械简化出的理想的力学模型要确切反映其物理过程的话，就要确定这四个要素。本章就是应用模态分析法把内燃机这个多自由度系统分解为若干个子系统。由此求出系统的固有频率、振型。

根据实际内燃机总成主要结构特点采用专业软件，建立三维实体模型如图1所示。尺寸是按实际缸体相当的静挠度选定的。以四块长方形平板组成的长方体代表离合器及变速器部分，连接在缸体的一端。在缸体一端的两个端点处各以一个弹簧支撑，在变速箱的一端的中点处以一个弹簧支撑。模拟实际三点支撑的内燃机总成中的橡胶悬置。静应力分析的传动轴材料选为普通各向同性钢。具体参数为：弹性模量2.68E+008N/m；泊松比0.29；剪切模量8.0155E+007N/m。与内燃机总成相关的坐标系统为：动力总成的质心为坐标原点O，垂直于缸体表面向上为Z轴，沿汽车前进方向为X，按右手定则确定Y。

2.2.3 内燃机总成网格的划分

一般来说，有限元分析的单元划分有三种：实体单元、板单元、梁单元。实体单元是与实际结构最为接近的建模方式，这种单元可以实现对模型各节点所受的拉应力、剪应力、弯矩等参数的求解。但是这种单元建立的模型在求解时矩阵方程计算量大，计算时间长，而且计算累计误差大。因此对于一些简单的结构，如薄板件、筋板、杆状结构等，普遍采用简化的单元类型，即板单元和梁单元进行处理。其好处是在基本符合实体模型的基础上，最大限度的简化结构，减少计算量，使奇异矩阵出现的几率大幅度降低，对提高计算结果的准确性也有帮助。

内燃机的主体部分由气缸体构成，可以将内燃机简化为内部有若干空腔的壳体，空腔的数目与内燃机的气缸数相同。空腔间的隔板尺寸由试验确定，即用简化后的内燃机作振动试验，得到的数据与实际内燃机作的试验数据吻合。这样，可以用板单元建立内燃机有限元模型。

采用线性四边形板单元对内燃机总成模型进行网格划分，得到的模型如图2所示。

3 内燃机总成的各阶模态分析

在本文中，将内燃机与车架相连，并将其定义为一个待分析的系统，假定车架为无限质量的刚体，故车架可等效为地面，内燃机与车架通过三个弹性元件相连，弹性元件的支撑位置、支撑刚度和支撑角度在相续章节给出。

通过对动力总成的模态分析，可以得到每一阶固有振动的频率以及在这种频率下的振动形式，从而可以确定何种频率及形式的载荷会对这一固有频率产生激振。分析的结果见表1。

4 结论

（1）根据实际内燃机总成主要结构特点，采用专业软件建立了具有六自由度的动力总成悬置系统的三维动力学模型，并利用软件进行了有限元网格划分，得到振动系统的6阶模态。

（2）通過模态分析，得到各阶模态的振动规律为：随着内燃机固有频率的增加，内燃机整体上依次表现为侧向移动；垂直方向的移动；前后方向上的移动；水平方向上的转动；俯仰运动；侧翻运动。有了这些运动趋势就为进一步进行动态稳定性分析打了基础。

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