汽車發動機缸蓋與排氣歧管裝配體的模態分析

孫洪哲，李衛民，韓國輝

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

?

汽車發動機缸蓋與排氣歧管裝配體的模態分析

孫洪哲，李衛民，韓國輝

（遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001）

摘 要：發動機排氣系統的密封決定著發動機性能，研究發動機的振動對密封性能的影響。應用ANSYS Workbench軟件分析，對汽車發動機缸蓋、排氣歧管密封墊及排氣歧管的裝配體進行帶有預應力的模態分析，得到該裝配體的固有頻率，并與發動機對外激振頻率進行比較，進而判斷兩者之間不能發生共振現象。證明該因素不會影響發動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管裝配體的密封性能。

關鍵詞：共振；預應力；模態分析；固有頻率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.011

CLC NO.: TH128 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-35-02

引言

隨著現代科技的不斷提升，現代汽車也朝著小型化，高功率的方向發展。為了提高汽車發動的工作效率，發動機缸蓋與排氣歧管的密封性能越發得到汽車生產單位的重視。良好的排氣系統決定著發動機功率、扭矩、排放污染等，其前提就是可靠的排氣密封系統[1-2]。由發動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管組成的裝配體的固有頻率與發動機對外的激振頻率之間是否發生共振也是影響排氣密封性能的因素之一。一旦發生共振現象就會造成密封部位出現漏氣現象，排氣壓力就會降低，使發動機輸出功率降低，進而影響發動機的整體工作狀態[3-4]。

本文通過有限元法，應用ANSYS Workbench分析軟件，對某型號的發動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管進行要有預應力的分析計算，從而得到該裝配體的固有頻率[5-6]。

1、模態分析理論

模態分析是動力學分析的基礎，包括實驗模態分析和計算模態分析兩部分。在發動機外激勵振動作用下，動力學問題遵循的平衡方程如下：

其中 [M]是質量矩陣，[C]是阻尼矩陣，[K]是剛度矩陣，[F(t)]是力矢量，[X]是位移矢量，[x']是速度矢量，[x'']是加速度矢量。

而模態分析問題是動力學經典的特征值問題，這里認為發動機歧管密封結構符合應用非比例多自由度的粘性阻尼系統，采用計算模態分析的方法[7]，該問題的運動方程為：

由于結構的自由振動為簡諧振動，所以其位移為正弦函數即x=x sin( ω t)，將該正弦函數帶入運動方程后得到該方程的特征值為開方后得到自振圓頻率ωi，自振頻率為

帶有預應力的模態分析則在模態分析的基礎上考慮載荷產生的應力對結構剛度的影響。

2、固有頻率分析計算

2.1 裝配體的結構模型

該裝配體由發動機缸蓋、密封墊片、排氣歧管、螺柱、墊圈及螺母組成。將分析模型導入后，對各個零件進行材料賦值，并定義各零件間的接觸對。由于模態分析屬于線性分析，而ANSYS Workbench軟件提供的5種接觸類型中只有Bonded和No Separation為線性分析，所以根據接觸情況將墊圈與螺柱之間以及排氣歧管與螺柱之間的接觸定義為No Separation，其余接觸部分定義為Bonded。該裝配體的結構模型圖如圖1所示。

圖1　裝配體的結構模型圖

2.2 模型劃分網格

模態分析為結構分析，可以采用軟件提供的四面體網格和六面體網格進行劃分，考慮到計算機的性能及分析計算的時間，網格類型采用四面體網格，網格大小的設定分為整體網格大小和密封接觸面網格大小，分別設置為5mm和2mm，最終網格劃分后的單元數為599394，節點數為939432。該結構模型的劃分網格圖如圖2所示。

圖2　結構網格劃分圖

2.3 施加載荷和約束

該型號的發動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管通過M8的螺柱進行聯接，施加在螺柱上的扭矩為35N·m。在進行施加載荷時，螺柱表面施加的是預緊力，所以應將扭矩轉換為預緊力。根據預緊力與扭矩的關系：其中Ma為扭矩，Fv為預緊力，k為扭矩系數，d為螺柱直徑，可得預緊力為其中d通過《機械設計手冊》查詢為0.1852，最終預緊力大小為23623.1102 N。施加預緊力后，在該裝配體缸蓋與缸體聯接的位置施加固定全約束。

2.4 模型的分析計算

計算后的應力云圖如圖3所示。

圖3　應力分布圖

模態分析計算前5階的結果如表1所示。

表1　前5階固有頻率數據表　單 位：Hz

3、發動機對外激振頻率

該型號的發動機有4個缸室，點火順序為1-3-2-4，曲軸最高轉數每分鐘轉6000轉，則該發動機每個工作循環曲軸需要轉動2轉，4個缸按點火順序爆炸各一次，即發動機每轉爆炸2次也就是振動2次。所以該發動機對外的激振頻率為：

發動機一般工作在750-6000轉之間，所以對外激振頻率范圍在25～200H之間。因此與通過對汽缸蓋組合體的模態分析結果對比可知，其自身各階次的固有頻率均遠大于由于發動機工作對其產生的激振頻率。因此兩者之間不會發生共振問題。

4、結束語

通過有限元法得到發動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管裝配體的前5階固有頻率，其中1階固有頻率最小為1040.7Hz，而經過計算得到的發動機對外最大激振頻率為200Hz，因為1040.7Hz遠大于200Hz，所以共振現象不會發生。從而證明發動機自身振動不會影響發動機缸蓋、密封墊片及排氣歧管裝配體的密封性能。

參考文獻

[1] 沈思博,黃瑞昌,李振華等.某型1.5升發動機排氣歧管密封墊的優化.汽車實用技術,2015,2:39-41.

[2] 劉志恩,胡雅倩,顏伏伍,李黨育.發動機排氣歧管熱模態分析及試驗研究[J].汽車工程,2015,37(3):359-365.

[3] 李敏,杜鵑,沈宜輝.螺栓法蘭接頭緊固密封的研究展望[J].化工機械,2011,38(5):513-516.

[4] 馬小波.法蘭面密封出現泄漏的原因分析及對策[J].石油/化工通用機械,2011,1:76-78.

[5] 趙丹,艾延延,翟學,白彥.盤-盤螺栓連接結構模態頻率分析[J].航空發動機,2012,38(5):55-57.

[6] 閔加豐,朱海清.基于ANSYS Workbench有螺栓預緊力的沖壓法蘭的有限元模態分析[J].鍛壓裝備與制造技術,2012,1:69-71.

[7] 許本文,焦群英.機械振動與模態分析基礎[M].機械工業出版社.1998,1.

The assembly of the automobile engine cylinder head and exhaust manifold of modal analysis

Sun Hongzhe, Li Weimin, Han Guohui
( Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

Abstract:The sealing of the engine exhaust system determines the engine performance, and to study the effect of the vibration of the engine on the sealing performance.Application of ANSYS Workbench software on the automobile engine cylinder head, the exhaust manifold gasket and the exhaust manifold assembly with a prestressed modal analysis, get the inherent frequency of the assembly, and comparing with the engine external excitation frequency, and judge between cannot occur resonance phenomenon.Show that the factors will not affect the engine cylinder head, sealing gasket sealing performance and exhaust manifold assembly.

Keywords:resonance; prestress; modal analysis; inherent frequency

作者簡介：孫洪哲，講師，就職于遼寧工業大學，研究方向：現代數字化設計制造及機械可靠性工程。

中圖分類號：TH128

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-35-02