農用柴油機齒輪室蓋結構動態特性分析與改進

孟浩東　趙景波　王勇　郭炎　戴旭東　徐年堯

摘要：針對某型單缸農用柴油機在標定工況下鑄鋁齒輪室蓋結構振動問題，采用現代信號處理技術結合有限元模態分析技術分析齒輪室蓋的結構動態特性。首先采用變分模態分解方法（VMD）與同步壓縮小波變換法（SWT）相結合的方法獲取了齒輪室蓋結構振動的主變分模態分量，分析其時頻特性，然后通過頻率響應法識別齒輪室蓋結構的固有特性，分析兩者相關性，在此基礎上再利用有限元模態分析技術進一步研究齒輪室蓋結構振動的模態特性，找到導致其動態特性變差的薄弱環節，最后采用加強筋結構改進設計措施提高齒輪室蓋的模態頻率，避開結構共振，優化結構動態特性。

關鍵詞：農用柴油機；齒輪室蓋；信號處理；動態特性；模態分析

中圖分類號：TK422文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11008706

Analysis and improvement of dynamic characteristics of gear chamber cover structure of

agricultural diesel engine

Meng Haodong Zhao Jingbo Wang Yong Guo Yan Dai Xudong Xu Nianyao

（1. School of Automotive Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， 213032， China；

2. Automotive Engineering Research Institute， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract：Aiming at the structural vibration problem of cast aluminum gear chamber cover of a certain type of single cylinder agricultural diesel engine under calibration condition， the structural dynamic characteristics of gear chamber cover are analyzed by modern signal processing technology combined with finite element modal analysis technology. Firstly， the principal variation modal components of the structural vibration of the gear chamber cover are obtained by combining the Variational Mode Decomposition（VMD） method with the Synchronous Compression Wavelet Transform（SWT） method， and the time-frequency characteristics are analyzed. Then， the inherent characteristics of the gear chamber cover are identified by the frequency response method， and the correlation between them is analyzed. On this basis， the modal characteristics of the structural vibration of the gear chamber cover are further studied by using the finite element modal analysis technology， and the weak links that lead to the deterioration of its dynamic characteristics are found. Finally， the modal frequency of the gear chamber cover is increased， the structural resonance is avoided and the structural dynamic characteristics are optimized by using the measures of improved design of stiffener structure.

Keywords：agricultural diesel engine； gear chamber cover； signal processing； dynamic characteristics； modal analysis

0引言

農用柴油機是農用機械車輛的主要動力源，隨著柴油機功率和轉速的不斷提高，振動與噪聲問題日益突出，尤其是動力系統結構共振不僅影響產品可靠性還會影響駕駛員的身心健康。為滿足日益嚴格的國家環保法規需要和客戶對農用機械車輛舒適性的需求，必須對農用柴油機結構的動態特性進行分析與改進。

農用柴油機板殼和箱體薄壁結構件是影響動力系統結構動態特性的關鍵零部件，近年來國內外學者采用基于試驗測試、信號處理以及仿真分析相結合的多信息融合技術研究柴油機薄壁結構件動態特性進行結構減振降噪［13］。曾志星等［4］結合聲強法噪聲源識別試驗、1/3倍頻程頻譜及有限元約束模態仿真分析了齒輪室蓋板的聲振特性，通過給齒輪室蓋板開孔和更換材料的改進措施避開了共振頻率，優化了結構噪聲。孟浩東等［5］將同步壓縮—交叉小波變換法與有限元模態分析法相結合識別了柴油機后蓋板總成異響特性，通過采取托架板與加強筋設計措施提高了薄弱結構剛度，消除了結構共振異響。陳建明等［6］采用有限元計算和試驗分析相結合的方法分析了柴油機振動響應特性，通過模塊化設計將薄弱環節飛輪殼組合式結構改為一體式結構，提高了整機剛度，有效降低了整機振動。張艷崗等［7］將靈敏度分析、模態試驗、仿真計算相結合找到了影響柴油機傳動箱結構剛度的關鍵因素，通過改進傳動箱壁厚參數提高了結構剛度和模態頻率，避免了結構共振。

本文以某型單缸農用柴油機鑄鋁齒輪室蓋為研究對象，首先在標定工況下采用變分模態分解方法［810］（Variational Mode Decomposition，VMD）自適應分解柴油機多源激勵作用下齒輪室蓋振動響應信號，獲取影響結構動態特性的主變分模態分量，結合同步壓縮小波變換法［1112］（Synchronous Compression Wavelet Transform，SWT）提取變分模態分量信號的時頻特征，然后利用齒輪室蓋頻響函數識別結構的固有特性，在分析兩者相關性基礎上，最后采用有限元模態分析技術進一步研究齒輪室蓋的振動模態特性，找到影響結構動態特性的薄弱環節，研究結果指導優化其結構動態特性。

1農用柴油機齒輪室蓋振動試驗分析

1.1VMD-SWT方法概述

同時結合圖3（e）各變分模態分量基于連續小波變換法的時頻分析比較可知，連續小波變換法時頻分辨率不高，導致模態分量的中心頻率特征提取產生混淆，而同步壓縮小波變換能克服時頻模糊現象，提高時頻聚集性和可讀性，準確提取齒輪室蓋結構振動的主變分模態分量時頻特征，說明采用VMD-SWT方法在準確提取結構振動的主變分模態分量時頻局部信息特征方面更具優勢。

為找出鑄鋁齒輪室蓋結構主振動致使其動態特性變差的原因，采用脈沖激振法進行實際安裝條件下齒輪室蓋結構的頻響特性分析，獲得的結構頻率響應函數如圖4所示。

從圖4可知，齒輪室蓋結構存在以2130Hz為中心的某階模態主導頻率，其垂直方向振動幅值最大，同時與標定工況下結構振動的主變分模態分量的中心頻率區間相吻合，說明齒輪室蓋結構模態頻率落入了單缸柴油機工作激勵頻率區間，導致了結構的共振響應，而控制齒輪室蓋主振動優化結構動態特性的關鍵是避開結構共振頻率以降低中高頻帶的振動響應能量。

2農用柴油機齒輪室蓋有限元模態分析

根據齒輪室蓋的振動試驗分析結果，采用有限元模態分析方法進行齒輪室蓋的振動模態特性分析，找到導致結構動態特性變差的薄弱環節進行結構改進設計，使結構模態主導頻率避開共振頻率，達到改進結構動態特性的目的。首先建立鑄鋁齒輪室蓋的有限元仿真模型，然后選取4mm的四面體單元進行結構的自由網格劃分，最終得到的齒輪室蓋有限元網格模型如圖5所示。

為模擬齒輪蓋的實際工作狀態，將其與機體連接端面的螺栓孔內接觸面都施加固定約束，全約束了所有連接螺栓孔的自由度，采用分塊蘭索斯法［15］計算約束邊界條件下齒輪室蓋的結構模態，前8階約束模態頻率計算結果如表2所示，其中第6階約束模態振型如圖6所示。

從表2可以看出，齒輪室蓋第6階約束模態頻率為2 126Hz，與其在標定工況下結構主振動的變分模態分量中心頻率2134Hz相接近，落入了結構共振頻率區間，因此，該階約束模態頻率是控制結構共振的主導頻率。結合圖6分析可知，齒輪室蓋第6階約束模態振型表現為平板表面結構作類似鼓面振動，其中靠近機油泵安裝孔及油尺孔部位變形相對較大。由于平板結構開孔在一定程度上破壞了結構局部剛度，促使結構固有頻率有所下降，因此，齒輪室蓋結構中靠近機油泵安裝孔與油尺孔內側部位是影響結構動態特性的薄弱環節。

3農用柴油機齒輪室蓋動態特性改進分析

綜合齒輪室蓋試驗與有限元仿真分析結果，要降低標定工況下齒輪室蓋結構主振動的變分模態分量的振動響應能量，可通過改進結構薄弱環節設計使主導約束模態頻率避開結構共振頻率區間，達到優化結構動態特性的目的。在確保改進結構不會對齒輪室蓋裝配產生干涉影響條件下，采取齒輪室蓋內側加強筋結構改進設計措施來提高結構剛度，其中將齒輪室蓋內側縱向和橫向加強筋高度都增加3mm，同時把縱向加強筋寬度都增加2mm，采取上述改進方案后進行約束模態頻率計算，結果如表2所示，其中改進后的齒輪室蓋結構及其約束模態振型分別如圖7和圖8所示。

從表2和圖8中分析可知，采用縱橫加強筋改進設計后能有效提高齒輪室結構剛度和模態頻率，尤其是第6階主約束模態頻率提高了176.6Hz，在提高結構彎曲剛度的同時也有效避開了結構共振頻率區間，其主振型相對變形量也減小。下一步將根據齒輪室蓋動態特性的仿真改進效果進行試驗驗證。

4結論

1） 在標定工況下，鑄鋁齒輪室蓋結構振動的主變分模態分量存在以2134Hz為中心的峰值頻率，而引起主變分模態分量的原因由于齒輪室蓋結構模態主導頻率落入了單缸農用柴油機的工作激勵頻率區間導致了結構共振響應，控制齒輪室蓋結構振動的關鍵是降低其主變分模態分量的振動響應能量。

2） 鑄鋁齒輪室蓋的第6階約束模態頻率是導致結構共振的主導模態頻率；齒輪室蓋內側結構中靠近機油泵安裝孔與油尺孔部位是導致結構動態特性變差的薄弱環節；采取縱向和橫向加強筋結構尺寸綜合改進措施提高了結構剛度，齒輪室蓋第6階約束模態頻率提高了176.6Hz，避開了結構共振頻率區間。

3） 融合VMD-SWT方法和模態分析法的優勢，自適應分解了柴油機多源激勵下齒輪室蓋振動信號，獲得了影響齒輪室蓋結構動態特性的主變分模態分量及其時頻特性，研究了齒輪室蓋結構振動的模態特性，分析了兩者之間的相關性，找到了導致齒輪室蓋結構動態特性變差的薄弱環節，通過采取加強筋改進設計措施提高了結構剛度，優化了結構動態特性。

參考文獻

［1］閆超群， 馬炳杰， 王志剛， 等. 基于虛擬材料法建模的柴油機振動噪聲分析［J］. 內燃機學報， 2020， 38（5）： 464-471.Yan Chaoqun， Ma Bingjie， Wang Zhigang， et al. Vibration and noise analysis of diesel engine based on virtual material modeling method ［J］. Transactions of CSICE， 2020， 38（5）： 464-471.

［2］丁瑞， 李舜酩， 張凱成. 某型柴油機缸蓋罩的振動分析與降噪研究［J］. 重慶理工大學學報（自然科學）， 2020， 34（3）： 80-88.Ding Rui， Li Shunming， Zhang Kaicheng. Vibration analysis and noise reduction research of the cylinder head cover of a diesel engine ［J］. Journal of Chongqing University of Technology （Natural Science）， 2020， 34（3）： 80-88.

［3］馮娜， 周欣， 侯志鵬. 某V型高速柴油機振動測試及動力學分析［J］. 船舶工程， 2021， 43（1）： 56-60.Feng Na， Zhou Xin， Hou Zhipeng. Vibration test and dynamic analysis of a V-type high speed diesel engine ［J］. Ship Engineering， 2021， 43（1）： 56-60.

［4］曾志星， 黃豪中， 李松林. 一種低噪聲齒輪室蓋板的設計方法［J］. 內燃機工程， 2016， 37（6）： 126-132.Zeng Zhixing， Huang Haozhong， Li Songlin. A design method of low noise gearbox cover ［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2016， 37（6）： 126-132.

［5］孟浩東， 展杰， 王勇， 等. 柴油機后蓋板總成異響特性識別研究［J］. 車用發動機， 2021（2）： 88-92.Meng Haodong， Zhan Jie， Wang Yong， et al. Identification of abnormal noise characteristics for rear cover plate assembly of diesel engine ［J］. Vehicle Engine， 2021（2）： 88-92.

［6］陳建明， 祖炳鋒， 郝長利， 等. 基于模塊化設計降低柴油機振動的開發與研究［J］. 機械設計， 2019， 36（3）： 14-18.Chen Jianming， Zu Bingfeng， Hao Changli， et al. Development and research of reducing the diesel engines vibration via modular design ［J］. Journal of Machine Design， 2019， 36（3）： 14-18.

［7］張艷崗， 宋智文， 馬富康， 等. 基于模態靈敏度的柴油機傳動箱結構改進設計［J］. 機械設計與研究， 2019， 35（3）： 204-209.Zhang Yangang， Song Zhiwen， Ma Fukang， et al. Improved design of diesel engine transmission case structure based on modal sensitivity ［J］. Machine Design & Research， 2019， 35（3）： 204-209.

［8］Dragomiretskiy K， Zosso D. Variational mode decomposition ［J］. IEEE Transactions on Signal Processing， 2014， 62（3）： 531-544.

［9］Yao J， Xiang Y， Qian S， et al. Noise source identification of diesel engine based on variational mode decomposition and robust independent component analysis ［J］. Applied Acoustics， 2017， 116： 184-194.

［10］Zheng X， Zhou Q， Zhou N， et al. A dichotomy-based variational mode decomposition method for rotating machinery fault diagnosis ［J］. Measurement Science and Technology， 2019， 31（1）： 015003.

［11］Daubechies I， Lu J， Wu H T. Synchrosqueezed wavelet transforms： An empirical mode decomposition-like tool ［J］. Applied and Computational Harmonic Analysis， 2011， 30（2）： 243-261.

［12］Jiang Q， Suter B W. Instantaneous frequency estimation based on synchrosqueezing wavelet transform ［J］. Signal Processing， 2017， 138： 167-181.

［13］賈繼德， 任剛， 梅檢民， 等. 基于變分模態分解和交叉小波變換的柴油機失火故障診斷［J］. 內燃機工程， 2020， 41（1）： 57-63.Jia Jide， Ren Gang， Mei Jianmin， et al. Fault diagnosis of diesel engine misfire based on VMD and XWT ［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2020， 41（1）： 57-63.

［14］靳行， 林建輝， 陳謝祺. 變微分模態分解罰參量選擇方法與時變系統識別［J］. 西南交通大學學報， 2020， 55（3）： 672-680.Jin Hang， Lin Jianhui， Chen Xieqi. Penalty parameter selection method for variational mode decomposition and time-varying system identification ［J］. Journal of Southwest Jiaotong University， 2020， 55（3）： 672-680.

［15］周炬， 蘇金英. ANSYS Workbench有限元分析實例詳解（動力學）［M］. 北京： 人民郵電出版社， 2019.