發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油路系統(tǒng)接插件振動(dòng)失效問題研究

許睿 王艷軍 陳明

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

0 前言

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，所有氣缸的噴嘴都連接著1根公共油管，也稱“油軌”，油軌始終保持恒定的壓力，高壓噴油泵將燃油送入油軌，然后由油軌送入噴油器。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車動(dòng)力來源，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是整車振動(dòng)－噪聲－平順性（NVH）問題產(chǎn)生的主要激勵(lì)來源。上汽乘用車某款4缸發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)中頻繁出現(xiàn)接插件失效現(xiàn)象，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合有限元模態(tài)分析，研究高壓油軌軌身的軌壓傳感器接插件失效原因，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1［1－2］。

1 問題發(fā)現(xiàn)與原因分析

某4缸機(jī)在耐久試驗(yàn)和超速試驗(yàn)中分別都出現(xiàn)了接插件磨損現(xiàn)象，根據(jù)振動(dòng)測(cè)試顯示：1缸固定螺栓加速度在5G以下，傳感器公端在10G以下，而傳感器母端在700～800Hz之間產(chǎn)生了約5倍于1缸的螺栓振動(dòng)幅值，在1 100～1 300Hz之間產(chǎn)生約8倍于1缸的螺栓振動(dòng)幅值。試驗(yàn)過程中，產(chǎn)生信號(hào)波動(dòng)和扭矩波動(dòng)，拆解后發(fā)現(xiàn)接插件磨損嚴(yán)重。

對(duì)零件拆解分析后發(fā)現(xiàn)，油軌安裝螺栓扭矩正常，油壓無異常顯示。因此，針對(duì)單獨(dú)的接插件做了振動(dòng)測(cè)試，如圖2所示。

由于接插件公母端的匹配關(guān)系，母端對(duì)于公端的振幅會(huì)放大3～5倍，因此當(dāng)接插件安裝位置附近因?yàn)楣舱穸駝?dòng)幅值過大是引起接插件失效的主要原因之一，之后再在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)接插件在油軌安裝處附近的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，如圖3所示。

從圖3可知，在1 100～1 300Hz頻率范圍內(nèi)油軌在接插件安裝座附近的振動(dòng)幅值明顯超過其他3個(gè)安裝點(diǎn)。圖4中接插件安裝座的振動(dòng)幅值超過標(biāo)準(zhǔn)限值，說明在該頻率范圍內(nèi)整個(gè)油路系統(tǒng)中接插件的安裝座與高壓油軌產(chǎn)生了共振。

圖2 接插件放大倍數(shù)振動(dòng)測(cè)試

圖3 油軌沿安裝螺栓軸向振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖4 接插件安裝座處振動(dòng)數(shù)據(jù)

2 高壓油軌－高壓油管有限元模型的建立及模態(tài)分析

建立高壓油軌－高壓油管有限元模型，真實(shí)復(fù)現(xiàn)臺(tái)架實(shí)際狀態(tài)，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行仿真分析。在計(jì)算高壓油軌－高壓油管系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，護(hù)套、塑料接插件對(duì)模態(tài)計(jì)算的影響較小，可予以忽略，但關(guān)鍵位置的質(zhì)量信息應(yīng)確保與試驗(yàn)狀態(tài)一致。模態(tài)計(jì)算時(shí)，將考慮發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和油泵安裝、對(duì)缸蓋底部3個(gè)自由度進(jìn)行約束，且選擇油路系統(tǒng)工作即充滿油狀態(tài)用來確保整個(gè)油路系統(tǒng)固有模態(tài)接近實(shí)際水平。高壓油管的前5階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示，其模態(tài)振型如圖5所示。

表1 高壓油管前5階的固有頻率

圖5 高壓油管前5階模態(tài)振型圖

對(duì)高壓油軌的模態(tài)進(jìn)行仿真分析，高壓油軌的前2階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示，其模態(tài)振形圖如圖6所示。

表2 高壓油軌前2階的固有頻率

圖6 高壓油軌前2階模態(tài)振型圖

從圖5可以看出，高壓油管的前三階集中在減振器及油管安裝固定點(diǎn)附近，后2階的振型主要出現(xiàn)在進(jìn)油口附近，且表1中的4、5階的固有頻率結(jié)果和表2中高壓油軌的頻率接近，證明在1 100～1 300Hz范圍內(nèi)，高壓油軌－高壓油路系統(tǒng)在進(jìn)油口與4缸螺栓附近產(chǎn)生明顯的共振，從而導(dǎo)致安裝在該位置附近的接插件振動(dòng)幅值超過標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 高壓油軌－高壓油管傳遞路徑分析

分析了該4缸機(jī)的油軌布置形式，軌壓傳感器接插件的振動(dòng)來源于發(fā)動(dòng)機(jī)本體激勵(lì)和油壓脈沖激勵(lì)。從油路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞路徑來看，圖7中綠框位置由于油管油軌模態(tài)疊加出現(xiàn)共振，會(huì)放大其所受到的激勵(lì)，產(chǎn)生較大振幅，從而導(dǎo)致塑料接插件振動(dòng)失效及磨損。

圖7 高壓油軌－高壓油管激勵(lì)傳遞路徑示意圖

根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試值，沿激勵(lì)傳遞路徑選出該路徑上關(guān)鍵4個(gè)點(diǎn)處的加速度幅值來進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示。

圖8 1 200～1 350Hz頻率范圍內(nèi)加速度傳遞路徑上A、B、C、D各點(diǎn)振動(dòng)對(duì)比

從圖8得出由于油軌與油管在1 000～1 300 Hz附近固有頻率相近，使得進(jìn)油口附近的螺栓、油管進(jìn)油端及軌壓傳感器安裝座處產(chǎn)生了共振，軌壓傳感器的振動(dòng)受4缸螺栓、油軌和油管進(jìn)油口共同影響。

圖8對(duì)高壓油軌－高壓油管的激勵(lì)傳遞路徑進(jìn)行加速度幅值對(duì)比分析，以失效點(diǎn)為連線終端，從激勵(lì)源出發(fā)畫出失效傳遞路徑，可以看出同一個(gè)系統(tǒng)中各點(diǎn)振動(dòng)幅值的變化規(guī)律：在該系統(tǒng)中進(jìn)油口處的振動(dòng)幅值是發(fā)動(dòng)機(jī)油軌安裝點(diǎn)處幅值的4倍，傳感器處的振動(dòng)幅值是發(fā)動(dòng)機(jī)油軌安裝點(diǎn)處振動(dòng)幅值的6倍。軌壓傳感器由于發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和油壓脈沖激勵(lì)使共振放大，進(jìn)而使得塑料接插件公母端振動(dòng)異常，最終導(dǎo)致接插件失效。

對(duì)于失效傳遞路徑上加速度不斷成倍增加的現(xiàn)象，只需要對(duì)這條傳遞路徑上的不斷增加的振動(dòng)幅值進(jìn)行連線，并對(duì)該連線采取截?cái)嗵幚恚瑏砀纳剖c(diǎn)處振動(dòng)幅值過大的現(xiàn)象，所以基于失效傳遞路徑，可以在A、D、B點(diǎn)之間兩兩增加截?cái)鄟砀纳剖c(diǎn)處振動(dòng)幅值過大的現(xiàn)象［3－4］。

4 高壓油軌－高壓油管模態(tài)優(yōu)化

由于該發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管的空間及形狀受諸多因素限制，因此通過增加固定架支承來改變傳遞路徑上的振動(dòng)放大現(xiàn)象。改進(jìn)后的油路系統(tǒng)固定架位置如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后的支承架固定示意圖

4．1 改進(jìn)方案的模態(tài)分析

對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化后的高壓油軌固有頻率見表3。

表3 改進(jìn)前后高壓油軌前2階的固有頻率

從表3可以看出，增加了固定支承之后的高壓油軌模態(tài)明顯提升并避開了高壓油管的4、5階固有頻率。

4．2 改進(jìn)方案的振動(dòng)幅值對(duì)比分析

結(jié)合改進(jìn)前后油路系統(tǒng)模態(tài)的改變，對(duì)A、B點(diǎn)振動(dòng)幅值進(jìn)行仿真分析評(píng)估，并與試驗(yàn)值比較，如圖10所示。

在對(duì)振動(dòng)傳遞路徑上增加了剛性支承后，對(duì)比傳遞路徑上A、B點(diǎn)更改前后的振幅，各點(diǎn)振幅如圖11所示。

從圖11可知，在1 150～1 350Hz頻率范圍內(nèi)，A點(diǎn)處的加速度幅值下降了4個(gè)G，B點(diǎn)處的加速度幅值下降了13個(gè)G，B點(diǎn)處的降幅是A點(diǎn)的4倍以上。同時(shí)也提取了傳遞路徑上C、D點(diǎn)的加速度，由于這兩點(diǎn)在試驗(yàn)中并未布置加速度傳感器，所以并未提取試驗(yàn)測(cè)試值供比較，如圖12所示。

由圖12可知，整個(gè)油軌的振動(dòng)幅值均產(chǎn)生了一定的下降，C點(diǎn)作為與A點(diǎn)類似的油軌安裝位置，加速度也下降了4個(gè)G，D點(diǎn)作為高壓油軌與高壓油管的連接處，也下降了15個(gè)G。

圖10 改進(jìn)前試驗(yàn)與仿真振動(dòng)幅值對(duì)比示意圖

圖11 改進(jìn)后振動(dòng)幅值對(duì)比示意圖

通過有限元分析得出的振動(dòng)情況對(duì)比可知，增加了固定支承之后，高壓油軌－高壓油管整體油路系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)振動(dòng)解耦，該系統(tǒng)路徑上的振動(dòng)明顯降低，從而使得安裝在該路徑上的塑料接插件振動(dòng)幅值降低，降低了失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 C、D點(diǎn)振動(dòng)幅值對(duì)比示意圖

優(yōu)化前的方案仿真數(shù)據(jù)與振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)路徑各點(diǎn)保持了一致，并且通過仿真評(píng)估優(yōu)化后的方案再次進(jìn)行耐久和超速試驗(yàn)，其間并未出現(xiàn)接插件失效或油壓異常現(xiàn)象。

5 結(jié)論

臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試和有限元分析結(jié)果表明，高壓油軌與高壓油管固有頻率段的相近產(chǎn)生了共振，使得傳感器安裝座附近的加速度過大，進(jìn)而導(dǎo)致安裝在該點(diǎn)附近的接插件出現(xiàn)振動(dòng)失效現(xiàn)象。提出以分析失效傳遞路徑的方法來對(duì)比同一系統(tǒng)的振動(dòng)幅值變化情況，在該路徑上采取截?cái)喾绞絹砀淖冋駝?dòng)幅值的變化。

本研究基于空間問題，通過增加固定支架提升高壓油軌的剛度，并改變其固有頻率，優(yōu)化后的支撐能有效控制高壓油軌上接插件的振動(dòng)幅度，從而有效減少接插件失效風(fēng)險(xiǎn)。