基于共振頻率的發(fā)動(dòng)機(jī)附件臺(tái)架耐久性試驗(yàn)研究

許早龍　林圣鎮(zhèn)　夏玉茗　黃艷龍

摘 要：三缸發(fā)動(dòng)機(jī)安裝附件的耐久性評(píng)估對(duì)工程師是個(gè)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的方法是讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行幾百小時(shí)的連續(xù)試驗(yàn)，本文通過(guò)對(duì)附件及其支架進(jìn)行轉(zhuǎn)速掃描獲得振動(dòng)信號(hào)，結(jié)合附件模態(tài)頻率的測(cè)試和分析，根據(jù)附件主要共振頻率成分所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位移和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，制定發(fā)動(dòng)機(jī)附件臺(tái)架耐久性試驗(yàn)工況，提高了試驗(yàn)的有效性，縮短了試驗(yàn)開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：共振頻率；發(fā)動(dòng)機(jī)附件；耐久性；試驗(yàn)臺(tái)架

中圖分類號(hào)：U467.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）06-0041-04

Abstract： The durability evaluation of engine mounted components of a three-cylinder engine is a challenge for engineers； traditional method is run the engine at maximum speed for several hundred hours. In this paper， vibration signal is recorded by conduct full load speed sweeps； modal frequency of these overhanging components is tested and analyzed. Test procedure is determined by the resonant frequency and its corresponding engine speed， the test method is much more efficient than conventional one， this helped in reducing the product development time.

Key Words： resonant frequency； engine mounted components； durability； test rig

前 言

發(fā)動(dòng)機(jī)附件如發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、進(jìn)氣歧管等通過(guò)支架與發(fā)動(dòng)機(jī)固定，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于往復(fù)慣性力和離心慣性力作用經(jīng)常引起附件和支架的疲勞斷裂。因此發(fā)動(dòng)機(jī)附件的疲勞耐久試驗(yàn)必須作為發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的一個(gè)重要內(nèi)容。為節(jié)約時(shí)間和成本，對(duì)附件及其支架的考核通常在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。

目前基于頻域法的隨機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，首先是根據(jù)載荷條件和邊界條件對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行頻響分析，加載與道路譜相同的譜型，得到應(yīng)力響應(yīng)的PSD函數(shù)和應(yīng)力均方根值；其次，根據(jù)累積損傷準(zhǔn)則和S-N曲線參數(shù)，針對(duì)窄帶和寬帶問(wèn)題分別選擇Bendat法和Dirlik法計(jì)算出相應(yīng)的疲勞壽命[1-2]。最后，根據(jù)加速試驗(yàn)的期望時(shí)間得到試驗(yàn)所需的激勵(lì)譜量級(jí)，從而設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況進(jìn)行試驗(yàn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)前期發(fā)動(dòng)機(jī)要裝備在那種車型并不一定確定，且需要比較準(zhǔn)確的有限元和材料模型，這種方法對(duì)于耐久性評(píng)價(jià)要求較高，且時(shí)間較長(zhǎng)。

目前大部分公司的做法是讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速附近連續(xù)運(yùn)行幾百個(gè)小時(shí)進(jìn)行考核，但也有的嘗試測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)附件的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)不同附件的振動(dòng)加速度和振幅，制定更加合理的試驗(yàn)工況[3]。 本文的研究基于一款三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)其激勵(lì)特性和附件的共振頻率制定相應(yīng)的耐久試驗(yàn)方法。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)附件振動(dòng)及模態(tài)測(cè)試

在所有需要考核的發(fā)動(dòng)機(jī)附件上布置加速度傳感器，將發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上完成熱機(jī)。分別進(jìn)行空載、半載、滿載測(cè)試；測(cè)試時(shí)，緩慢升速掃描（1000r/min～6500r/min），升速時(shí)間約為60秒，采集3-5組振動(dòng)信號(hào)，查看采集數(shù)據(jù)的一致性和有效性。對(duì)振動(dòng)位移后處理時(shí)，注意保留峰值（Spectrum peak hold）[4]。有的發(fā)動(dòng)機(jī)附件本身在試驗(yàn)臺(tái)架上不方便加載（如壓縮機(jī)），可以保持空載狀態(tài)。

同時(shí)，需要對(duì)這些附件進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，尤其關(guān)注附件的第一階模態(tài)頻率。

2 數(shù)據(jù)分析

從圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件（如壓縮機(jī)）加速度總值（Overall）振動(dòng)圖可以看出，在1780r/min附近發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及其附件似乎有一個(gè)“異常”峰值，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速附近，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大，且發(fā)動(dòng)機(jī)的剛體模態(tài)（rigid modal）約為30Hz左右，正好等于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的1階激勵(lì)頻率。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的1階和1.5階激勵(lì)都比較大，發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)和扭矩共同造成了2000r/min以下轉(zhuǎn)速的振動(dòng)峰值。實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)在20Hz以下，所以2000r/min以下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值。

為了盡可能使臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)相符合，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置橡膠隔振墊的剛度應(yīng)盡可能與實(shí)車接近，且試驗(yàn)臺(tái)架支撐腿的剛度應(yīng)足夠高，最好高于發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速發(fā)火頻率。

從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及安裝附件的振動(dòng)信號(hào)中，提取彩圖（Colormap）和頻譜圖（如圖2所示），由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速6500r/min對(duì)應(yīng)的二階發(fā)火頻率為162.5Hz，可以發(fā)現(xiàn)，缸體和所有發(fā)動(dòng)機(jī)附件確實(shí)在162.5Hz處有一個(gè)斷崖式下滑，大于該頻率的振動(dòng)幅值劇然降低，后面的峰值基本是附件的局部模態(tài)，這時(shí)需要根據(jù)前面對(duì)所有附件所進(jìn)行的模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個(gè)檢查確認(rèn)。圖2中，310Hz為壓縮機(jī)的第一階共振頻率值。

共振是疲勞破壞非常重要的因素，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝附件如果隨缸體一起振動(dòng)而不發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)和位移，就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變破壞[5]。從頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)附件的模態(tài)頻率大于最高轉(zhuǎn)速的點(diǎn)火頻率后，位移響應(yīng)非常低，只有在共振頻率處才有比較高的幅值。綜合考慮顧客使用習(xí)慣和對(duì)應(yīng)的疲勞破壞規(guī)律，從而設(shè)計(jì)臺(tái)架快速試驗(yàn)工況，需要很多試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累[6]。由疲勞損傷理論知，如果一個(gè)試件在歷經(jīng)一定數(shù)量的疲勞循環(huán)后，仍不斷裂，則可認(rèn)為其壽命是無(wú)限的。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，對(duì)于以鋁、鎂為主的輕合金或者復(fù)合材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)附件支撐零件疲勞極限的循環(huán)次數(shù)S=5×107，對(duì)于鐵質(zhì)的沖壓制造的發(fā)動(dòng)機(jī)附件支撐零件S=2×107；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于五缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)，在共振頻率附近的振幅低于0.02mm，則認(rèn)為該附件不會(huì)發(fā)生疲勞破壞（對(duì)于六缸以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，取0.01mm）。圖2壓縮機(jī)在310Hz左右振動(dòng)位移超過(guò)0.02mm。endprint

如圖3所示，0.02mm線定義為耐久試驗(yàn)分界線，若在大于162.5Hz的整個(gè)采樣頻率上零件的振動(dòng)幅值都<0.02mm，則認(rèn)為該零件不需要進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)，反之，則需要。若在低于162.5Hz有明顯高于缸體位移變化趨勢(shì)的峰值，說(shuō)明該附件模態(tài)較低，結(jié)合模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)也需要關(guān)注。定義附件的共振帶為振動(dòng)峰值的1/ 2 倍與振幅曲線的兩交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率分別為共振頻率上下限。

確定若干個(gè)附件的振幅超過(guò)0.02mm，需要進(jìn)行共振頻率疲勞耐久試驗(yàn)。根據(jù)不同的材料（鐵質(zhì)和非鐵質(zhì)），考核時(shí)間為在共振頻率上下限之間的振動(dòng)次數(shù)等于相應(yīng)的疲勞極限次數(shù)，示例見(jiàn)表1。

3 耐久試驗(yàn)方案制定

從表1可以看出，不少附件的考核轉(zhuǎn)速是重疊的，綜合考慮所有零件的考核時(shí)間、轉(zhuǎn)速區(qū)間等需要制定一個(gè)最優(yōu)方案，本文利用Monte Carlo模糊變量法通過(guò)產(chǎn)生服從一定分布的隨機(jī)變量，計(jì)算響應(yīng)值的分布情況，以確定變量的變化對(duì)響應(yīng)值的影響程度，從而對(duì)共振頻率的轉(zhuǎn)速區(qū)間進(jìn)行劃分，以得到總考核時(shí)間的最優(yōu)解。

本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在空載、半載條件下，各個(gè)附件的振動(dòng)量級(jí)比滿載小很多；因此耐久試驗(yàn)基本上在滿載條件下進(jìn)行。最終將考核轉(zhuǎn)速劃分為7個(gè)區(qū)間（見(jiàn)表2），使總考核時(shí)間最短，總考核時(shí)間為294.7h。此前，發(fā)動(dòng)機(jī)附件的耐久試驗(yàn)是在6000r/min進(jìn)行700h的試驗(yàn)，該方法不但總運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，而且不能保證零件處于共振狀態(tài)。

該發(fā)動(dòng)機(jī)裝車后，按照實(shí)際道路試驗(yàn)的各種規(guī)程進(jìn)行了考核，發(fā)動(dòng)機(jī)附件未發(fā)生任何破壞。

4 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝附件的耐久性考核如果固定在最高轉(zhuǎn)速附近，進(jìn)行七百小時(shí)的試驗(yàn)，不能保證零件處于最容易破壞的共振狀態(tài)，本方案考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)附件的共振頻率，使零件的考核更加合理和充分，同時(shí)縮短了考核時(shí)間。

（2）在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一般CAE分析要求發(fā)動(dòng)機(jī)附件的第一階模態(tài)頻率大于最高轉(zhuǎn)速的點(diǎn)火頻率，為了安全有的甚至要求兩倍以上的安全系數(shù)。從頻譜圖上可以看出，隨著頻率的增大，振動(dòng)幅值迅速降低，本試驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)要求的合理性。

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