渦輪增壓執行器支架振動分析及設計改進

吳元杰

摘 要：在有限的空間范圍內，設計一款合適的支架連接渦輪增壓執行器和渦輪殼。為降低支架在使用過程中斷裂風險，在設計驗證階段，運用振動模態分析軟件對整個模塊進行預先模擬實驗。根據模態分析結果優化支架設計，滿足模塊設計需求。

關鍵詞：支架;模塊設計;振動;模態分析

執行器連接渦輪增壓器排氣閥，它執行排氣閥的開合來控制增壓器進氣量，并起到保護渦輪增壓器的作用。執行器在控制渦輪增壓器正常運轉與保障其使用壽命起到至關重要的作用。為保障執行器能夠以最佳狀態運行，執行器的固定位置和固定方式是兩個重要的因素。

目前執行器的固定位置有渦端固定和壓端固定兩種，固定方式有支架式固定和鑄件集成式固定兩類。

就執行器固定位置而言，如果增壓器排氣閥在渦端，將執行器固定在渦端附近，這樣能有效地避免振動帶來的零件疲勞破壞。但是渦端靠近發動機出氣端，工況惡略，空間局促。柴油機渦端進氣溫度大約在750℃，周圍溫度接近500-600℃。汽油機渦端進氣溫度大約在950℃，周圍溫度接近700-800℃。執行器工作需要遠離熱源，繼而振動帶來的疲勞失效風險增大。通常我們設計執行器固定位置，選擇將其布置在渦輪增壓器的壓端。壓端遠離熱源，熱負荷小，符合執行器工況需求。考慮振動可能帶來的疲勞失效，支架式固定和鑄件集成式固定執行器都會盡可能靠近壓氣殼。

鑄件集成式固定是將執行器的支撐結構集成到壓氣殼鑄件的澆注中。澆注式結構與壓氣殼集成，有效地減少不同零件及零件與緊固件之間的振動，對降低共振和疲勞失效有很大的幫助。但是由于澆注支架在殼體遠端，為防止縮孔縮松現象發生，在模具型腔中需另加澆口和冒口，需要增加更多的鑄件材料。另外，執行器的緊固方式都是螺釘緊固，需要增加機加工端面、鉆孔、攻螺紋等加工工藝才能滿足執行器安裝緊固。相比之下，通過鈑金沖壓的支架連接壓氣殼和執行器，能降低鑄造難度、減少鑄件材料、減少加工工藝步驟、提升產品合格率，特別是大批量生產，能顯著降低產品成本。出于上述因素考慮，通常我們選擇支架式緊固方式固定執行器。

執行器固定位置和固定方式確定后，需要考慮執行器與殼體之間連接過度方式。在滿足安裝和正常運轉的前提下，避開發動機點火頻率。根據公式，點火頻率（f）= 每分鐘轉速（rpm）/60*缸數（N）/2。

早前由于設計軟件功能限制，設計工程師只能根據經驗來設計支架，通過加厚、翻邊等方式提高一階固有頻率。產品設計結束后，交由CAE工程師在ANSYS中進行有限元分析。然后加工生產出產品，再進行產品疲勞試驗，該階段周期長，失效種類多，針對性的解決問題比較困難。現如今部分有限元分析模塊已集成到設計軟件中，在保證計算精度的情況下，達到CAD和CAE模塊轉換的無縫對接。設計工程師在完成支架設計后即可對其進行模擬及優化，分析其在執行器負載下的一階固有頻率。

本文利用CATIA設計軟件中的創成式結構分析模塊（GPS）對執行器支架進行應力及振動頻率分析，為優化執行器支架設計，降低制造成本提供理論依據。

1 模態分析基本理論

由振動理論得知：一個線性振動系統，按自身某一階固有頻率作自由諧振時，整個系統將具有確定的振動形態（簡稱振型或模態）。模態是工程結構的固有振動特性，每一個零件或系統的模態具有特定參數，即固有頻率、阻尼比和模態振型等。此外，基于線性疊加原理，一個復雜的振動還可以分解為許多的模態疊加。一般地，以振動理論為基礎、以模態參數為目標地分析方法，稱為模態分析。模態分析是研究系統物理參數模型、模態參數模型和非參數模型的關系，并通過一定手段確定這些系統模型的理論及其應用的一門科學。

模態分析是指上述一種坐標的線性變換，將振動系統以物理坐標和物理參數所描述的、互相耦合的運動方程組，能夠變為一組彼此獨立的方程，每個獨立方程只含一個獨立的模態坐標;前者遵守牛頓定律，后者遵守能量守恒定律。變換的目的是為了接觸方程的耦合，便于求解。由于坐標變換是線性變換，因而系統在原有物理坐標系中，都有任意激勵的響應，便可視為系統各階模態的線性組合。模態分析的主要優點在于，它能用較少的運動方程或自由度數，直觀、簡明且十分精確的反應一個比較復雜結構系統的動態特性，從而大大減少測量、分析及計算的工作量。

2 支架基本結構和材料參數

本文以設計渦輪增壓執行器支架為例，執行器支架為沖壓式鈑金支架，固定在壓端位置。在執行器與壓氣殼空間坐標已確定的情況下，方案1采用3mm單次折彎結構設計執行器支架。支架材料參數屬性見表1。

3 支架三維模型創建和模態分析

本文利用CATIA設計軟件建立支架模型，根據執行器的空間位置，將重心輸入到支架三維模型中。執行器重量為0.4402kg，重心位置見圖1。

3.1網格劃分

本文利用CATIA創成式結構分析模塊（GPS）創建網格。對于結構較為簡單的模型，一般選擇10節點4面體單元進行網格劃分。網格大小數值為1.5mm，共產生4754個單元，9085個節點，劃分結果見圖2。

3.2 施加載荷和約束

模態分析的目的就是在負載情況下，通過計算，模擬出零件的形變情況。有限元分析中載荷、約束必須和物理模型中保持一致。圖1中白色點即為執行器物理模型重心，此處模擬為執行去振動原點。執行器穿過支架三個通孔用螺栓擰緊，三通孔與執行器接觸的銳邊可作為三個載荷承受點。支架另一端與壓氣殼是腰型孔連接，螺栓在腰型孔間任意位置安裝，約束時選擇最壞情況-螺栓緊貼同側腰型孔。完成負載和約束結果如圖3。

3.3 模態分析結果

通過GPS模塊對模態振動的效果進行仿真，只考慮有效的圖像化顯示的高應力和位移區域。如圖4所示，執行器支架一階固有頻率為172Hz。根據客戶提供信息，發動機為四缸兩沖程，最高轉速為5200rpm。根據公式計算發動機固有頻率為174Hz。執行器支架一階固有頻率低于發動機點火頻率，產生共振風險較大，需優化設計。

4 支架設計變更

如圖4所示，執行器支架在雙腰型孔處位移偏移量較大，且支架一階固有頻率略低于發動機點火頻率，容易產生疲勞斷裂。點火頻率是發動機固有頻率的最高值，為避免支架產生共振，建議將支架一階固有頻率控制在點火頻率的120%以上。根據經驗，提出三種設計變更方案，如圖5所示。

方案2：支架整體壁厚增加1.0毫米;支架的剛性是由材料本身決定的，提升支架剛性最直接有效的方式就是增加支架的厚度。

方案3：在支架安裝孔中間增加加強筋;支架的震源來自于緊固螺栓，振動延螺栓方向垂直于支架平面，在螺栓安裝孔中添加加強筋，施加一個斜向上的力，有效地中和螺栓方向上的振動，提升支架剛性。

方案4：在支架兩端增加翻邊，翻邊高度10.0毫米;與方案3相似，更好地中和兩端螺栓的振動，如圖5所示。翻邊方向為反向平行于螺栓安裝方向和垂直于螺栓安裝方向。施加一個反方向的力和垂直于作用面的力，中和振動。提升支架剛性。

將如上三種方案再次進行模態分析。三種方案一階頻率均達到設計要求。仿真結果如圖6所示。

5 成本比較及最終方案確定

使用模態分析方法，將上述三種方案進行振動頻率分析。將分析數據和方案基本參數總結成表，如表2所示。

方案1：滿足連接執行器和壓殼最基本要求，但是該方案一階固有頻率低于發動機點火頻率。發動機點火階段支架與發動機產生共振，影響支架工作壽命。

方案2：在方案1的基礎上，零件厚度增加1毫米，一階固有頻率顯著提升。但支架質量增加明顯。

方案3：在方案1的基礎上增加鼓包，一階固有頻率有所提升，滿足設計需求。

方案4：在方案1的基礎上添加最小折邊，一階固有頻率大幅提升。因盡可能控制輕量化設計，折彎處離本體較近，折彎角度小。沖壓模具制造成本增加。

在滿足設計需求的前提需求下，盡可能使用輕量化設計降低生產制造成本。結合表2對比結果，最終確定方案為：方案3

6 總結和后續工作

本文使用CATIA設計軟件創建支架三維模型，使用設計軟件自帶創成式結構分析模塊（GPS）進行模態分析，根據模態分析結果進行執行器支架設計變更，優化設計方案。本方法可使用在產品設計評定之前的任何階段，而且可由設計人員獨立完成。可大大縮短設計評定周期，加快項目研發進程。

參考文獻：

[1]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用. 上海：上海交通大學出版社，2000.

[2]田生，楊國旗，楊迪等.渦輪增壓器支架降本優化分析. 現代零部件，2012年第5期.