內燃機模態的振動規律研究

王鳳軍

【摘 要】本文在結合內燃機相關領域的研究，應用專業軟件，根據實際內燃機主要結構特點建立動力總成的三維實體模型，并利用模態分析技術得到內燃機總成的固有頻率、主模態等參數，掌握其振動規律，為進一步減小振動，降低噪聲打下基礎。

【關鍵詞】內燃機；振動；模態分析

中圖分類號： TK401 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著汽車向高速化和輕質化方向發展，振動噪聲問題日益突出，人們對振動和噪聲的控制要求也越來越嚴格。因此，振動分析理論越來越到重視。汽車行駛的平順性、乘坐舒適性、內燃機的減振和隔振更離不開振動分析。內燃機是整車主振源之一，汽車行駛時因路面不平、氣缸內燃氣壓力、運動件的不平衡慣性力周期變化的結果都會使內燃機整機系統和曲軸系統產生振動，其懸置隔振性能的優劣直接關系到內燃機振動向車體的傳遞。通過以內燃機及其懸置系統為研究對象，探討其在參數改變時的振動規律，在理論上和實際中都有較大意義。

1 研究現狀

目前，我國在研究汽車動力總成振動問題時常用到以下幾種方法，包括拉格朗日方程分析法，有限元分析法，模態分析法，動態子結構分析法。它基本思路是建立數學模型后建立運動方程，并對運動方程求解，從而得到響應規律；動力總成實驗分析法：一方面可以直接測量振動系統的振動響應，并進行分析以了解機械振動的特性，稱振動分析。另一方面用已知振源去激勵研究對象，并測取響應以了解系統的特性，稱系統識別，其步驟如下：選激振源，對振動系統分析，研究測點，布置傳感器，測取信號，進行分析處理，對分析作結論；動力總成振動系統的動態仿真：其對動力總成實體建立模型，并選取材料之后進行分析，通過改變傳遞系統的初始條件來分析動力總成響應的變化規律，從而制定出最佳狀態的隔振和減振措施。

在動力總成懸置的優化設計方面，國內外已經做了大量的研究工作，技術已經比較成熟，隨著材料、工業控制技術、加工工藝及相關減振技術的發展，各種新型的內燃機懸置系統層出不窮，滿足了各式動力總成系統在減振性能上不同的要求，比如鋼絲網懸置、鋼絲繩懸置、液汽懸置、電流變懸置、磁流變懸置、壓電材料懸置、電磁懸置及其各種類型的懸置[25-27]。

但是，內燃機懸置系統的優化也有其局限性，大部分的研究僅考慮模擬成線性剛度和阻尼的彈性懸架系統的優化，如Suresh等用液壓懸架來優化內燃機懸置系統，考慮了液壓懸置的線性從屬頻率、阻尼特性，而沒有考慮彈性懸置的非線性剛度、阻尼和從屬頻率。正如Rivin所指出的那樣，在懸置剛度中，內燃機總重、重心的位置與實際車輛的慣性運動存在很大的偏差，它們的偏差將大大影響內燃機懸置系統的優化結果，并導致其實際應用受到限制。

2 內燃機總成的模態分析

機械系統的振動特性，主要決定于系統本身的慣性、彈性和阻尼。實際機械結構的這些性質都是比較復雜的，為了能運用數學工具對它們的振動特性進行分析計算，需要將實際系統作一定程度的簡化：忽略次要因素，簡化其質量、剛度、阻尼等參數的性質和分布規律，建立起既能反映實際系統的動力學特性又有可能進行計算的動力學模型。當一個實際振動系統比較復雜時，建立的模型越復雜，越能接近實際情況，也越能進行逼真的模擬，但往往使分析困難；建立模型越簡單，分析越容易，但得到的結果可能不精確。建立的模型中，總是在求得簡化表達和逼真模擬二者之間的折衷。

因此本文根據實際內燃機總成主要結構特點，采用專業軟件建立三維6自由度模型，利用有限元分析法，得到內燃機總成的模態，從而為進一步減振降噪奠定基礎[37]。

2.1 內燃機總成實體模型的建立

2.2.1 內燃機總成在車架上的支撐

為了減少內燃機總成振動對車架的影響，內燃機總成大都是用彈性支撐安裝在車架上的。總成的彈性支撐采用橡膠懸置，安裝它時，一端安裝在車架上，一端安裝在動力總成上。橡膠墊在空間三維上都有彈性，由于動力總成的各點位置相距較遠，故常略去支撐墊的扭轉彈性，而把橡膠懸置簡化沿空間三個有彈性軸的彈簧，此三軸稱為橡膠墊的彈性主軸分別用p，q，r來表示。

若把內燃機總成的振動當作自由振動分析時，阻尼可略去，常把橡膠墊假設為一種無阻尼的線性彈簧元件，于是內燃機總成懸置系統就可以簡化為如圖2-2所示的力學模型，并設定車架為絕對剛體，具有無限質量，其位置可用質心O的3個直角坐標X、Y、Z以及饒過質心平行于定坐標軸的3個動坐標轉角來θX、θY、θZ表示，因而內燃機總成具有6個自由度。

2.2.2 內燃機總成實體模型的建立endprint

系統之所以會產生振動，從外部條件看是因為系統受到了外界的激勵，從內部條件看是由于系統具有質量和彈性。從能量的轉化過程來看，外界對系統的激勵就是對系統做功，這個功被儲存到系統中，其中一部分轉化為質量塊的動能；另一部分轉化為彈性件的變形勢能。反復振動過程就激勵功、動能和勢能之間的不斷轉換。如果系統沒有阻尼，只要給系統以初始激勵，振動就一直延續下去；若系統具有阻尼，而系統又沒有持續的從外界獲得能量，振動將在經歷一段時間之后中將停止。由此可見，激勵、質量、彈性和阻尼是振動系統的四大要素。因此從實際的機械簡化出的理想的力學模型要確切反映其物理過程的話，就要確定這四個要素。本章就是應用模態分析法把內燃機這個多自由度系統分解為若干個子系統。由此求出系統的固有頻率、振型。

根據實際內燃機總成主要結構特點采用專業軟件，建立三維實體模型如圖1所示。尺寸是按實際缸體相當的靜撓度選定的。以四塊長方形平板組成的長方體代表離合器及變速器部分，連接在缸體的一端。在缸體一端的兩個端點處各以一個彈簧支撐，在變速箱的一端的中點處以一個彈簧支撐。模擬實際三點支撐的內燃機總成中的橡膠懸置。靜應力分析的傳動軸材料選為普通各向同性鋼。具體參數為：彈性模量2.68E+008N/m；泊松比0.29；剪切模量8.0155E+007N/m。與內燃機總成相關的坐標系統為：動力總成的質心為坐標原點O，垂直于缸體表面向上為Z軸，沿汽車前進方向為X，按右手定則確定Y。

2.2.3 內燃機總成網格的劃分

一般來說，有限元分析的單元劃分有三種：實體單元、板單元、梁單元。實體單元是與實際結構最為接近的建模方式，這種單元可以實現對模型各節點所受的拉應力、剪應力、彎矩等參數的求解。但是這種單元建立的模型在求解時矩陣方程計算量大，計算時間長，而且計算累計誤差大。因此對于一些簡單的結構，如薄板件、筋板、桿狀結構等，普遍采用簡化的單元類型，即板單元和梁單元進行處理。其好處是在基本符合實體模型的基礎上，最大限度的簡化結構，減少計算量，使奇異矩陣出現的幾率大幅度降低，對提高計算結果的準確性也有幫助。

內燃機的主體部分由氣缸體構成，可以將內燃機簡化為內部有若干空腔的殼體，空腔的數目與內燃機的氣缸數相同。空腔間的隔板尺寸由試驗確定，即用簡化后的內燃機作振動試驗，得到的數據與實際內燃機作的試驗數據吻合。這樣，可以用板單元建立內燃機有限元模型。

采用線性四邊形板單元對內燃機總成模型進行網格劃分，得到的模型如圖2所示。

3 內燃機總成的各階模態分析

在本文中，將內燃機與車架相連，并將其定義為一個待分析的系統，假定車架為無限質量的剛體，故車架可等效為地面，內燃機與車架通過三個彈性元件相連，彈性元件的支撐位置、支撐剛度和支撐角度在相續章節給出。

通過對動力總成的模態分析，可以得到每一階固有振動的頻率以及在這種頻率下的振動形式，從而可以確定何種頻率及形式的載荷會對這一固有頻率產生激振。分析的結果見表1。

4 結論

（1）根據實際內燃機總成主要結構特點，采用專業軟件建立了具有六自由度的動力總成懸置系統的三維動力學模型，并利用軟件進行了有限元網格劃分，得到振動系統的6階模態。

（2）通過模態分析，得到各階模態的振動規律為：隨著內燃機固有頻率的增加，內燃機整體上依次表現為側向移動；垂直方向的移動；前后方向上的移動；水平方向上的轉動；俯仰運動；側翻運動。有了這些運動趨勢就為進一步進行動態穩定性分析打了基礎。

【參考文獻】

[1]Yu Yunhe，Naganathan Nagi G..A Literature Review of Automotive Vehicle Engine Mounting Systems.Mechanism and Machine Theory.2001，36（1）.

[2]Usuda Shigehiro，Otsuka Masaya，Nagata Masahisa. Noise and Vibration Reduction of Newly Developed 3.0l Direct Injection Diesel Engine.JSAE Review.2002，23（3）.

[3]Antoni J，Daniere J，Guillet F and Randall R. B. Effective Vibration Analysis of Ic Engines Using Cyclostationarity Part Ii—New Results on the Reconstruction of the Cylinder Pressures. Journal of Sound and Vibration 2002，257（5）.

[4]D.H Lee， W.S Hwang and C.M Kim. Design Sensitivity Analysis and Optimization of an Engine Mount System Using an Frf-Based Substructuring Method. Journal of Sound and Vibration .2002，255（2）.

[5]Aoyama Takayuki，Kawamoto Atsushi. Analysis of Noise Occurrence by Cavitation in The Main Bearing of Diesel Engine. JSAE Review 2003，24（1）.

[6]樊興華，陳金玉.發動機懸置系統多目標優化設計.重慶大學學報（自然科學版）.2007，（6）.

[7]楊壽藏，陳云彪.現代先進發動機技術—平衡和振動（2）.柴油機設計與制造.2013，103（2）.endprint