在三缸發動機振動分析的研究

張兆奎 張志斌 王悅 邴紀秋 白冰

哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

近年來，國內研發人員不斷對發動機技術深入探索，使其性能、技術大幅度得到提高，同時國家法規要求越來越嚴格，促使各種車輛發動機都朝著小排量、大功率的方向發展，尤其是三缸發動機進行更深一步的研究。由于三缸機的結構決定了工作中總是有兩個缸同時工作、另外一個缸單獨工作，理論上發動機不可避免的出現振動問題。就算是進行了大量的優化，發動機噪音和振動也將比一般的四缸以上發動機略大。之前的發動機NVH采用長期經驗、不斷實驗、快速圍堵等手段反復優化，導致嚴重制約了研發周期，加大了研發成本。若采用CAE仿真手段，在設計階段即可引進NVH性能的概念，實現被動抑制向主動控制的轉變，對新機型的開發有著重要意義。本文以某三缸汽油發動機為例，依據NVH仿真標準流程和方法，以多體動力學分析和有限元方法為基礎，運用Excite軟件分析后評估發動機關鍵點的振動。

文研究對象是直列三缸增壓汽油發動機，發動機結構為直列三缸、水冷、四沖程、廢氣渦輪增壓。其缸徑為75.5mm，沖程81.84mm，連桿長度131mm，缸間距82mm，如下圖1：

圖1 幾何模型

2 整機有限元建立

本文僅考慮在燃氣壓力激勵下的振動情況，保留的模型包括主要固定零部件：缸體、缸蓋、油底殼、搖臂室罩殼、正時罩殼、主軸承蓋、凸輪軸軸承蓋、進氣歧管、排氣歧管、懸置支架、渦輪增壓器、電機等；以及運動件：曲軸、連桿、活塞、皮帶輪、雙質量飛輪等。本次仿真分析在于觀察三缸機整機的振動狀態，同時適合計算機運算，對局部細微特征進行簡化。如封閉直徑過小的螺栓孔、油路通道等，局部細小結構（如細小的圓角、倒角等）它們對整體的動力學特性影響比較小。

部件間的裝配連接，螺栓-墊片-螺栓孔-螺母為最常用的組合連接方式。對于振動分析，避免采用剛性處理方法的tie約束，會造成整機的固有頻率結果偏大，而且容易導致運算錯誤，因此，可采用“梁模型和剛性單元”以及“梁和接觸對定義”。此次分析采用Kin-Coupling單元和RBE2單元模擬零部件的裝配關系。

使用Hypermesh軟件幾何整機模型及曲軸系統進行網格劃分，曲軸軸瓦及缸套采用C3D8三維8節點六面體單元，其余零部件采用C3D10M三維10節點四面體修正單元。整機有限元模型約55萬個三維實體單元和約100萬個節點。曲軸系統約為110萬個實體單元和200多萬個節點，如下圖2：

3 振動仿真分析

3.1 建立多體動力學

應用ABAQUS軟件進行整機模型自由度的縮減，得到方便計算的整機縮減模型。模型進行ABAQUS縮減后，減了少相關矩陣的階次，實踐表明，工程上是可以接受矩陣縮減所帶來的精度降低。并且在Excite運用時可行的。

在Excite PU中建立多體動力學分析模型。在Excite PU中，發動機結構被分為線性的彈性體和連接件兩類。對于連接件包含了非線性剛度、阻尼特性的耦合的彈簧阻尼單元REVO、NONL等；約束是通過連接件向彈性體施加的，并考慮施加之間的相互耦合關系；使用縮減自由度方法組成子結構，反映結構的質量和剛度特征；曲軸模型建立是用有限元方法在Excite PU中縮減建立；缸體與曲軸的軸承連接單元采用NONL模型；虛擬底盤主節點通過直接輸入的方式建立；發動機的懸置主節點對應虛擬底盤上的懸置主節點，每個懸置的連接單元設置剛度和阻尼曲線，剛度、阻尼特性通過相應的實驗獲得，建立的多體動力學模型如下圖：

圖3 整機Excite PU模型

3.2 載荷定義及工況

發動機載荷為外部載荷即缸壓數據，一般為試驗測得數據。主要是作用在活塞上的氣體爆發壓力，通過活塞、連桿等機構傳到曲軸，使曲軸產生彎曲扭轉，從而引起發動機整機機體的不平衡振動。通過LOAD DATA輸入發動機不同工況下氣缸壓力數值。在本分析中僅考慮發動機外部載荷，根據試驗測得800、1000、1200、1500、1700、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500rpm轉速下的燃氣壓力曲線，下圖為800 RPM轉速下缸壓曲線示意圖。

對于多體動力學模型施加燃氣壓力載荷，建立完整的計算模型。計算工況1000rpm-5500rpm，每隔500選取一個運轉工況進行計算，每個工況計算4個工作循環，對于振動分析，僅保留4-6個循環的計算結果。

圖3 .2 800 RPM試驗數據

4 分析結果

本次分析的測試點布置在油底殼上，可以得出油底殼上該測試點的軸向（X）、橫向（Y）、垂向（Z）三個方向隨著轉速變化的加速度曲線，并與試驗對比，如下圖4.1、4.2、4.3所示。橫左邊是頻率，單位Hz，縱坐標是加速度，單位是m/s^2。

通過油底殼三個方向振動加速度結果可知，隨著發動機轉速的提高，三個方向的振動加速度幅值整體均呈現增大的趨勢，也就是發動機轉速越高，發動機機體振動約劇烈。通過仿真和試驗比較，其結果吻合比較貼切，在新機型的后期優化，可以通過仿真來為設計提供可靠的技術支持。

圖4.1 X方向加速度特性曲線

圖4 .2 Y方向加速度特性曲線

圖4 .3 Z方向加速度特性曲線

5 分析總結

（1）通過采用Excite建立多體動力學與有限元相聯合的整機振動模型，對新研發三缸汽油機整機振動進行了仿真計算，通過分析結果并與試驗對標，判斷出該三缸汽油機懸置點速度基本能滿足NVH要求。

（2）在汽油發動機設計階段引進NVH概念，使用AVL Excite Power Unit軟件，與有限元軟件相結合，可以快速準確的判斷整機振動情況，縮短產品研發、試驗周期，降低成本，對新機型研發有著重要意義。