內燃機鎂、鋁合金鑄件的振動響應和減振性能的試驗研究

譚　偉，米　林，田　鐵，王蘇磊

(1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶　400054；2.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春　130022)

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內燃機鎂、鋁合金鑄件的振動響應和減振性能的試驗研究

譚偉1，米林1，田鐵2，王蘇磊1

(1.重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶400054；2.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022)

摘要：采用發動機臺架試驗手段，對某型發動機用結構相同的鎂合金氣門室罩蓋和鋁合金氣門室罩蓋在發動機運行狀態下的振動響應和減振性能進行了測試和比較，結果表明：在發動機轉速超過1 800 r/min的中高轉速工況下，AZ91D鎂合金罩蓋振動響應小于ADC12鋁合金罩蓋，AZ91D鎂合金罩蓋的減振性能明顯優于ADC12鋁合金罩蓋，并且隨著發動機轉速的升高，AZ91D鎂合金罩蓋的減振性能優勢逐漸增大。頻譜分析結果表明：在發動機轉速超過1 800 r/min的中高轉速工況下，鎂合金罩蓋的減振性能優勢主要體現在1 700～2 500 Hz的頻帶內，在這個頻帶內鎂合金材料的阻尼性能優勢得到充分的發揮，這是其減振性能更優的主要原因。

關鍵詞：內燃機；鎂合金；罩蓋；臺架試驗；振動響應；減振性能

目前，鋁合金和鑄鐵材料被廣泛用于汽車發動機的缸體和殼體類零件的制造中，但是這些材料也存在一些缺點，比如鑄鐵的密度大，鋁合金的阻尼性能較差，難以同時實現結構的輕量化和優良的減振功能。鎂合金材料作為一種新型結構材料，具有低密度、高比強度、高比剛度、高阻尼和易于回收等顯著優點[1-2]，在汽車制造領域具有廣闊的應用前景，它的應用對于降低整車和發動機的質量，提高汽車的舒適性和經濟性，并降低汽車排放具有重要的意義[3-5]。目前，鎂合金材料已經成為汽車制造領域主要應用的新材料之一，越來越多的汽車零部件開始使用鎂合金材料制造，以替代鋁合金和鑄鐵等常規材料。

某型轎車用直列四缸汽油發動機為了降低自身質量，其氣門室罩蓋的制造使用AZ91D鎂合金替代ADC12鋁合金，同時替換前后的氣門室罩蓋的結構和幾何尺寸不變，以方便直接替換。研究表明：AZ91D鎂合金材料和ADC12鋁合金材料的阻尼性能和彈性模量有較大的差別，其中鎂合金的阻尼性能約為鋁合金阻尼性能的3～5倍[6]，而AZ91D鎂合金的彈性模量又明顯小于ADC12鋁合金。為了解鎂合金材料直接替換鋁合金材料后氣門室罩蓋的受迫振動響應特性的變化及定量地研究2種材質罩蓋減振性能的優劣，本文對2種材質的罩蓋分別裝機進行了發動機臺架試驗，對比測試和研究了2種不同材質的氣門室罩在相同的發動機工況下的振動響應，定量地分析和研究了AZ91D罩蓋的振動響應及其在減振性能方面的優勢，為鎂合金材料作為結構和減振一體化材料替代鋁合金材料制造發動機大型零部件提供了應用的依據。

1材料替換后氣門室罩蓋的剛度變化

氣門室罩蓋的主要作用是密封和降低振動和噪聲的傳遞與輻射，并不是主要的承受發動機工作載荷的零部件，因此對于其制造材料的力學性能要求相對較低，目前使用的材料有鋁合金和鎂合金，甚至是工程塑料。本研究中直接使用AZ91D鎂合金替代ADC12鋁合金制造氣門室罩蓋會導致罩蓋的整體剛度有所下降。其中罩蓋受到最主要的載荷是罩蓋頂部的4個緊固螺栓壓緊的靜力載荷。以下是基于有限元的方法對鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋在螺栓預緊力作用下的變形形式和變形量的計算和分析。

首先對罩蓋的結構建立有限元模型，如圖1所示，然后分別對鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋的4個緊固螺栓安裝位置在-Z方向分別施加1 kN和10 kN(根據緊固螺栓的預緊扭矩近似計算得到)的靜力載荷，如圖1所示，計算了鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋的變形形式和最大變形量。

圖1　罩蓋的有限元模型和邊界條件

圖2、3分別是兩種材質罩蓋受到螺栓預緊力的靜力載荷下的位移云圖和載荷位移曲線。計算結果表明：兩種材質的罩蓋在靜力載荷作用下變形形式是一致的，兩者的最大變形位置相同，其中AZ91D鎂合金罩蓋的最大位移略大于ADC12鋁合金罩蓋，表明AZ91D鎂合金罩蓋的整體剛度略小于ADC12鋁合金罩蓋，材料替換后罩蓋剛度的變化極小，鎂合金罩蓋完全可以滿足實際使用要求。

圖2　2種材質罩蓋的位移云圖

圖3　2種材質罩蓋的載荷位移曲線

2鎂合金罩蓋和鋁合金罩蓋振動響應特性分析

單自由度系統簡諧激勵作用下的強迫振動方程如下[7]:

(1)

強迫振動的振幅

(2)

(3)

式(2)可以變換為式(4)。

(4)

式(4)表明：在相同的簡諧激勵下，罩蓋的剛度、阻尼比、固有頻率和激勵頻率共同影響罩蓋振動響應的幅值。AZ91D鎂合金的彈性模量和密度分別為45 GPa和1 820 kg/m3；ADC12鋁合金彈性模量和密度分別為71 GPa和2 700 kg/m3。根據無阻尼振動系統的固有頻率的計算方法，AZ91D鎂合金罩蓋的固有頻率與結構相同的ADC12鋁合金罩蓋的固有頻率極為接近，前者約為后者的95%。因此，兩種材質的罩蓋的振動響應主要是由其剛度、阻尼比以及激勵頻率決定的，在兩種材質的罩蓋剛度和阻尼比確定的情況下，在一定的激勵頻率范圍內，雖然鎂合金罩蓋的剛度小于鋁合金罩蓋，但是鎂合金罩蓋的阻尼性能優勢會得到更加充分的發揮，從而使在相同的激勵作用下鎂合金罩蓋的響應幅值小于鋁合金罩蓋，使得鎂合金罩蓋具備更優的阻尼減振性能。

3罩蓋振動響應的測試與分析

3.1試驗的準備

本試驗是在由AVL電力測功機控制的排量為1.3 L的直列四缸汽油發動機試驗臺架上進行的，AZ91D鎂合金制氣門室罩蓋質量為1.76 kg，ADC12鋁合金制氣門室罩蓋質量為2.54 kg。選用江蘇聯能公司的信號調理器(YE5864B)和加速度傳感器(CY-YD-186G)對罩蓋的振動響應進行了測試，抗混疊低通濾波頻率設定為2.5 kHz，采樣頻率設定為10 kHz。

該氣門室罩蓋是由罩蓋頂部的4個緊固螺栓壓緊并安裝在缸蓋上，因此罩蓋的振動能量主要是從罩蓋頂部的4個緊固螺栓以及罩蓋與缸蓋的結合面傳遞而來，并且罩蓋的垂向是主要的振動方向，由此確定以垂向的振動響應作為主要的測試對象。加速度傳感器的安裝位置首先應該適合垂直方向的測試，然后便于振動傳感器的安裝，最后應處于主要的激振力的作用范圍，由此確定在罩蓋的第1缸和第2缸火花塞之間、第2缸和第3缸火花塞之間的平面上設置2個振動測點，具體的位置如圖4所示。

圖4　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋及其振動測點

為了全面了解罩蓋的表面振動響應，試驗中選取了45種工況，其中選取了15個轉速點工況，從1 200～4 000 r/min(發動機的主要工作轉速范圍)，每個轉速點間隔200 r/min，每個轉速點工況下選取3個負荷點，分別為30，50，70 N·m。

2種材質的罩蓋及其測試臺架如圖4和5所示。

圖5　試驗發動機與電力測功機臺架

3.2試驗結果與分析

3.2.1加速度信號的時域分析與對比

圖6是鎂合金罩蓋在發動機運行工況(3 000 r/min，70 N·m)時2個測點振動加速度的時域信號。

圖6　鎂合金罩蓋的加速度時域信號

時域信號的有效值反映了信號的功率大小，因此測點的振動加速度的時域信號有效值描述了該測點在一個時間段內的振動響應和振動強度的大小。本研究采用振動加速度的時域信號的有效值來描述罩蓋表面相應測點處的振動響應大小。時域信號有效值的計算如式(5)所示。

(5)

圖7～9是AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋上的2個振動測點在相同的發動機運行工況下振動加速度的有效值計算結果和對比。

圖7～9是在轉矩恒定的條件下，發動機轉速從1 200 r/min至4 000 r/min時2種材質的罩蓋對應測點的振動加速度有效值的對比數據。總體可見：隨著轉速的升高，罩蓋的振動響應和振動強度越來越大。

圖7　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動加速度

圖8　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動加速度

圖9　AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動加速度

對于罩蓋測點1，當轉速小于1 800 r/min時，AZ91D罩蓋振動加速度的有效值大于ADC12罩蓋，表明此時AZ91D罩蓋的振動響應大于ADC12罩蓋，AZ91D罩蓋沒有減振性能優勢；超過1 800 r/min后，隨著發動機轉速的升高，AZ91D罩蓋的表面振動加速度的有效值逐漸小于ADC12罩蓋，并且差值越來越大；當轉速為4 000 r/min時，差值最大，并且在該轉速的3個負荷狀態下AZ91D罩蓋的振動加速度有效值平均為ADC12罩蓋的84%。當發動機轉速高于1 800 r/min時，在相同的發動機運行工況下，AZ91D罩蓋的振動響應小于ADC12罩蓋，AZ91D罩蓋的減振性能明顯優于ADC12罩蓋。從對比數據中可以看出：隨著發動機轉速的進一步升高，AZ91D罩蓋的減振性能優勢有進一步增大的趨勢。

對于罩蓋測點2，當轉速小于2 600 r/min時，AZ91D罩蓋振動加速度的有效值大于ADC12罩蓋，此時AZ91D罩蓋沒有減振性能優勢；超過2 600 r/min后，隨著發動機轉速的升高，AZ91D罩蓋的表面振動加速度的有效值逐漸小于ADC12罩蓋，并且差值越來越大；當轉速為4 000 r/min時，差值最大，表明此時AZ91D罩蓋的減振性能優于ADC12罩蓋。

罩蓋振動響應的測試數據表明，兩種材質的罩蓋承受的交變載荷總體水平較低，使用鎂合金替代鋁合金制造的罩蓋可以滿足強度要求。

3.2.2加速度信號的頻域對比與分析

圖10～13是AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動測點1在發動機運行工況分別為(1 200 r/min，30 N·m)，(1 800 r/min，30 N·m)，(3 000 r/min，30 N·m)，( 4 000 r/min，30 N·m)時的加速度信號的頻譜對比。

圖10　運行工況為(1 200 r/min，30 N·m)時

從頻譜圖中可以看出：罩蓋的最大激勵源是發動機的不平衡的2階往復慣性力。當發動機轉速低于1 800 r/min時，AZ91D罩蓋和ADC12罩蓋的振動響應在頻譜圖上沒有明顯的區別；當發動機轉速高于1 800 r/min時，AZ91D罩蓋除了2階往復慣性力的激勵響應外，其主要的振動響應集中在低于1 700 Hz的頻帶內；1 700～2 500 Hz的頻帶內振動響應極小，而ADC12罩蓋在1 700～2 500 Hz頻帶內的振動響應較大，明顯大于AZ91D罩蓋，表明AZ91D罩蓋在1700～2500 Hz頻帶內的減振性能明顯優于ADC12罩蓋，由于AZ91D罩蓋在這個頻帶內的明顯優勢使得其在整個分析頻帶內減振性能優于ADC12罩蓋。

圖11　運行工況為(1 800 r/min，30 N·m)時

圖12　運行工況為(3 000 r/min，30 N·m)時

圖13　運行工況為(4 000 r/min，30 N·m)時

綜合對比兩個測點的振動加速度的時域和頻域信號，表明AZ91D鎂合金罩蓋的減振性能優勢主要體現在高于1 800 r/min的發動機轉速工況，特別是在1 700 Hz以上的頻帶鎂合金的阻尼減振性能優勢非常明顯。結合式(4)的理論分析結論，在該頻帶內，鎂合金材料的阻尼性能優勢能得到充分發揮，這是鎂合金罩蓋具有更優減振性能的主要原因。

4結論

1) 在發動機的低速工況下，AZ91D鎂合金罩蓋的振動響應大于ADC12鋁合金罩蓋，AZ91D鎂合金罩蓋沒有減振性能的優勢；在超過1800 r/min的中高轉速工況下，AZ91D鎂合金罩蓋的振動響應小于ADC12鋁合金罩蓋，AZ91D鎂合金罩蓋具有明顯的減振性能優勢，并且隨著發動機轉速的升高優勢逐漸增大。

2) AZ91D鎂合金的阻尼性能優勢在中高轉速工況下以及在1 700 Hz以上的頻段得到了充分有效的發揮，實現了在2 500 Hz以下的分析頻帶內AZ91D鎂合金罩蓋更優的阻尼減振性能。

3) 在結構和尺寸不變的條件下，使用AZ91D鎂合金直接替換ADC12鋁合金制造發動機罩蓋零件，在力學性能上可以滿足罩蓋實際使用的要求，同時得到更優的阻尼減振性能，并能降低零件的質量。

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[7]WILLIAM T.Theory of Vibration with Applications (Fifth Edition)[M].[S.l.]:Pearson Education Asia Limited and Tsinfhua University Press,1998.

(責任編輯楊文青)

Experimental Research on Vibration Response and Vibration Damping Property of Magnesium Alloy Casting and Aluminum Alloy Casting

TAN Wei1, MI Lin1, TIAN Tie2, WANG Su-lei1

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract:The vibration response and vibration damping property of AZ91D magnesium alloy valve cover and ADC12 aluminum alloy valve cover were tested and compared by using engine bench test method. The result shows that the vibration response of AZ91D cover is less than ADC12 cover in middle and high engine speed condition which is greater than 1800 rmp and the vibration damping property of AZ91D cover is greater than ADC12 cover, and as the engine speed increases, the advantage increases. The contrast and analysis of frequency spectrum of acceleration signal shows the advantage of vibration damping property of AZ91D cover mainly concentrates on the band from 1 700～2 500 Hz when the engine speed is greater than 1 800 r/min and the damping capacity advantage of AZ91D magnesium alloy can be used to reduce amplitude sufficiently in the band to be responsible for it.

Key words:IC engine；magnesium alloy；engine cover；bench test；vibration response；vibration damping property

收稿日期：2016-02-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51175533)

作者簡介：譚偉(1981—)，男，重慶人，博士，助理研究員，主要從事機電系統測試與控制技術研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.002

中圖分類號：TK415;TG146.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0006-07

引用格式：譚偉，米林，田鐵，等.內燃機鎂、鋁合金鑄件的振動響應和減振性能的試驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):6-12.

Citation format：TAN Wei, MI Lin, TIAN Tie,et al.Experimental Research on Vibration Response and Vibration Damping Property of Magnesium Alloy Casting and Aluminum Alloy Casting[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):6-12.