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1、个人资料整理仅限学习使用车用柴油机机体刚度和动态特性研究陈健温晟范圣(三一集团有限公司上海市 200121 【摘要】 本文通过对机体的有限元分析计算，得出机体主要的频率分布情况，进而对机体的刚度进行分析。通过对机体的模态实验分析，来识别机体的某些固有的振动特性，在计算机上显示机体的变形分布和应力集中部位，验证有限元计算分析的结果。综合分析柴油机整机布置和结构特点，对机体的结构进行评价，提出局部的改进设计方案。根据改进后的机体计算机模型进行有限元重分析，验证机体改进的效果。结果表明，改进后的机体模型的刚度得到了很大的提高。【关键词】 柴油机、刚度、动态特性、有限元分析、实验模态分析Rigidit
2、y and Dynamic Characteristic Study for Vehicle Diesel Enginer BlockChen Jian Wen Sheng Fan ShengABSTRACT ： By FEM of the block, we have got the main frequency distribution of the block, and analyze the rigidity of it. By experimentation mode analysis of the block, to distinguish some inherent vibrat
3、ion characteristics, to show its distortion distribution and where the stress concerntrated of the block, so as to test and verify the result of FEM.According toanalyze the arrangement and structure of diesel engine comprehensively, evaluate the structure of the block, come up with design program fo
4、r local improvement.According to modified engine block computer model, redid FEA to test and verify the result showed that after modification. The result showed that after modification,the rigidity of the engine block model had improvement a lot.Key words: Diesel Engine、 Rigidity 、Dynamic Characteri
5、stic 、FEM 、EMA1、前言当今汽车及内燃机的发展都集中在环境、能源、安全三大主题上，其产品开发也必须围绕环境、能源、安全这三大主题。汽车在给人类带来方便的同时，也给人类环境带来了严重污染，汽车的排放和噪声成为环境的两大公害，所以汽车环保问题正日益成为科技人员所关注的焦点。控制汽车噪声的重点在发动机，发动机是汽车的主要噪声源。而机体又是柴油机整台机器的骨架与外壳，因此机体必须有足够的刚度和强度，以保证零部件的正确几何形状和零部件之间的正确配合关系。有研究表明，机体结构优化设计可使发动机噪声降低10 分贝。传统的机体设计是用静载的方法或只考虑作用力为动载荷而不涉及零件本身的动态特性。实际
6、上在动载荷作用下机体的变形不仅与作用力的大小有关，而且与作用力的频率以及机体的动态特性有关。所以，必须对机体进行结构分析，研究机体的刚度和动态特性。2、柴油机多工况动态变形特性实验研究2.1 、柴油机表面振动测试根据发动机的实际运行情况，我们在柴油机表面共布置了62 个测点，以各测点总的振动速度均方根值作为振动能量的评价指标，对发动机振动状况进行分析比较，同时对选定特征精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用点的振动信号进行频谱分析，以得出信号的频率结构，并指出振动能量最大的工况、频率成份及相应的
7、机体部位。由实验可以得出，发动机振动能量主要分布在200Hz 以下的低频成份，随着发动机转速的增加，高频振动成份增加。这是由于激励频率提高所造成的，与柴油机实际运转情况相对应。由实验结果可知，发动机振动能量最大的工况为额定功率点，而且振动能量的分布范围向高频扩展，使得发动机的噪声迅速增加。振动能量最集中的部位为油底壳和高压油泵。高压油泵不仅随发动机一起振动，而且自身也要产生振动，因而其振动能量相应就比其它部位要高。振动最明显的部位为油底壳和发动机的裙部，发动机裙部的刚度相对较弱，其振幅较大，由于油底壳为薄钢板冲压而成，其刚度相对机体很小，不能对裙部的振动产生有效的约束，故而在裙部的带动下产生振
8、动，且振动的能量较大，这个部位是噪声辐射最严重的部位之一。我们所测定的垂直表面振动速度的分布情况，不仅可以用来对发动机的振动状况进行相对比较评定，而且对今后做进一步的噪声源识别有着非常重要的意义。2.2 、柴油机振动烈度测试表 1 振动烈度测试结果为了更充分了解柴油机的振动情况，我们又对同上述柴油机的额定功率点进行了烈度测试。测试结果列于表1。测试结果表明柴油机的当量振动烈度为25.7mm/s 。参照标准GB10397-1989中小功率柴油机振动评级中多缸柴油机振动品质分级评定表可知，该柴油机的振动品质为C 级 10.2 Vy(mm/s11.0 Vz(mm/s10.5 2 Vx(mm/s 20
9、.5 Vy(mm/s16.5 Vz(mm/s12.5 3 Vx(mm/s 15.0 Vy(mm/s15.0 Vz(mm/s13.5 4 Vx(mm/s 22.0 Vy(mm/s17.0 Vz(mm/s18.5 5 Vx(mm/s 10.5 Vy(mm/s17.0 Vz(mm/s12.0 Vs(mm/s 25.7 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用一些局部地方可能与实际模型有所差别。以机体上平面一缸气缸中心为原点建立坐标系，X 轴为垂直于气缸排列的水平方向，Y 轴为竖直方向，Z 轴沿气缸排列方
10、向。这里应用MSC/NASTRAN分析软件对机体进行分析，对于该软件只要建立机体的三维实体模型，便可以自动划分有限元网格。建立机体有限元模型如图1 所示。机体材料为合金铸铁，抗拉强度为b 250MPa 。3.2.2 有限元计算中边界条件和载荷的处理图 1 机体有限元模型柴油机运转时，机体要承受高温高压气体的作用，气体爆发压力作用在气缸盖上的总力通过螺栓传给机体，使机体上端承受拉伸作用。此外，气体爆发压力作用在气缸盖上的总力通过连杆和曲轴也作用在主轴承盖上，并通过主轴承螺栓传至机体的下端。同时机体还承受活塞侧向力和由侧向力产生的倾覆力矩的作用，所以在机体的支撑处必将产生一个反力矩以平衡倾覆力矩。
11、机体还承受着惯性力的作用以及其它如支承重量、辅助系统作用力等力的作用。在上述这些力的作用下，机体是在承受拉伸、弯曲和扭转的复杂应力状态下工作的。车用柴油机采用四点支承，两个前支承位于机体左右两侧，两个后支承位于机体后方的飞轮壳的两侧，所以在计算时应约束机体前支承处的自由度。3.2.3 有限元计算结果及分析根据所建立的有限元模型，依据以上的分析，利用NASTRAN 有限元计算分析软件，对所建立的机体进行有限元计算。计算结果见表2，计算所获得的主要振型如图2。表 2 机体有限元计算结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页
12、个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用 A B C D E 图 2 有限元分析主要振型图由于机体结构的不对称性，整个机体的变形也不对称。变形后机体发生弯曲，气缸中心线不再为垂直直线，这样就造成了在工作过程中活塞和缸套之间的配缸间隙发生变化，而且磨损加剧，严重时影响发动机的动力性、经济性、排放性等性能指标。从对机体的有限元计算结果可以看出，机体的1 阶振型为整个机体的扭转振动，扭转中心在机体与裙部结合面的中心部位，如图所示。这与传统的说法：机体上部与裙部的结合面是机体刚度的
13、薄弱地带相一致。从强度的观点来看，机体上部与裙部结合面是节点，其受交变应力的影响，是疲劳破坏的危险点。机体上下端面的角点处为振幅最大处，这会引起与其精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用相连接的其它部件的振动，从而影响整机的振动和噪声辐射。图 B 表明的2 阶振型是机体绕Y轴机体垂直轴线）的一阶弯曲振动，图C 表明的3 阶振型是机体绕Y 轴的二阶弯曲振动。在这个弯曲方向上，机体受活塞侧向力以及由此侧向力产生的倾覆力矩的作用，所以容易引发绕Y 轴的弯曲振动，在对机体产生疲劳破坏的同时，还会使曲轴产
14、生附加弯曲应力，影响曲轴的弯曲疲劳强度。图 D 表明的是机体绕X 轴垂直于气缸排列的水平方向）的一阶弯曲振型。由于机体长度比较大，这阶弯曲振型会使机体缸孔产生较大的变形，影响整机的性能指标，严重时影响整机可靠性。同时，对曲轴的疲劳破坏也将更为严重，使曲轴的刚度和强度下降。在气体爆发力的作用下，裙部呈现为多阶弯曲变形，如图E 所示。在这种变形下，与曲轴箱连接的油底壳呈现同一形式的变形。这样的变形越严重，油底壳在柴油机工作过程中辐射的噪声就越严重，同时油底壳的疲劳寿命越短。图E 还表明主轴承座发生了纵向变形，主轴承座的纵向变形将会对曲轴的振动造成一定的影响，因此在柴油机设计中，如何在轻量化的基础上
15、提高主轴承座的刚度是非常重要的。4、机体的模态实验分析研究模态实验分析是一种参数识别的方法，模态分析法是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的前提下，通过实验数据的处理、分析，寻求其“模态参数”。模态分析有两种典型的分析过程，即模态分析的理论过程正过程）和模态分析的实验过程逆过程）。模态分析理论过程的中心问题就是研究激励、响应、振动系统特性三者的关系。模态分析的实验过程就是通过模态实验，测量系统的振动响应信号，或同时测量系统的激励信号、响应信号，从测量到的信号中，识别描述系统动力特征的有关参数。模态分析实验过程的基本步骤主要有：1）、确定实验原型，将实验结构支撑起来；2）、模
16、态实验，激励实验结构，记录激励、响应的时间历程；3）、时间历程的数字处理，在频域识别中，还要进行FFT，获得频响函数；4）、参数识别。4.1 、实验方法和实验条件的确定模态分析有时域法和频域法，参数识别的时域方法只需要振动响应的时间历程，而频域方法需要频响函数 f/f计算振 型 分 析计算实验1 355.69 352.8 0.8% 一阶扭转振动2 510.85 670.8 -31.3% 绕竖直方向的一阶弯曲振动3 810.22 715.8 11.7% 绕竖直方向的二阶弯曲振动4 1132.20 1135.7 -0.3% 绕机体垂直中心线的扭转振动。5 1107.46 1157.4 -4.5%
17、绕机体横向轴线的弯曲振动。6 1317.20 1396.6 -6.0% 机体裙部绕垂直轴线的三阶弯曲振动。7 1456.84 1571.9 -7.9% 机体裙部的中部的扩张振动。8 1598.36 1687.3 -5.6% 绕机体中心的高阶扭转振动。从表 4 中可以看出，机体模态实验分析很好地验证了有限元分析的结果，二者对机体刚度的薄弱环节的判断是一致的。由于在有限元分析建模过程中，对机体结构做了一些简化，忽略了一些凸台、螺孔等结构，而在模态实验中，由于人为因素、仪器精度和环境因素等的影响，不可避免的会出现实验误差，所以机体有限元分析和模态实验分析会有一定的偏差，但从表4 中可以看出，二者具有
18、很好的一致性，说明在有限元分析过程中分析模型的建立、边界条件和载荷条件的处理非常合理，同时也表明模态实验的实验误差很小。5、机体改进设计与机体的有限元重分析5.1 机体改进设计原则由于机体为曲轴箱与机体铸成一体的龙门式结构，是一个形状复杂的合金铸铁件。其内有供冷却水循环的水道和润滑运动件的润滑油道。机体上、下、前、后都是精加工面。机体上平面安装气缸盖垫和气缸盖，并有26 个螺栓孔，高强度的缸盖螺栓将机体与气缸盖紧固为一体，还有六个缸套孔以及缸套周围与气缸盖相同的水道孔。在机体左前方有一个润滑油道孔连接机体与气缸盖的主油道，从机体上面看，还有12 个推杆通过孔。七个主轴承座位于机体下方的裙部，是
19、曲轴安装的基准，受力很大，为了在壳壁很薄的情况下保证它们的刚度和强度，这些壁上都设计有很多加强筋。在机体的前端面安装有正时齿轮室及齿轮室盖，后端面安装有飞轮壳和飞轮等组件。综合以上结构特点，在进行机体的改进设计时必须遵循以下四个原则：1、机体改进设计总的原则是尽量做最少的改动，尽可能地提高机体的刚度；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用2、不能破坏原机的支撑方式和主要零部件的连接方式；3、要保证原机体的铸造工艺性要求；4、要保证原机体的机械加工工艺性的要求。5.2 、机体改进设计分析根据机体有
20、限元计算、模态实验分析的结果以及对柴油机整机的表面振动的实验分析，表明机体的裙部，也就是机体组中曲轴箱部位是机体刚度最为薄弱的地方，另外很多局部的结构也已经严重地影响了机体的刚度。图 5 绘出了机体左侧面的改进情况。图6 绘出了机体右侧面的改进情况。原机体有几处螺栓脐子突出机体比较高，而且单独放置。改进后将相近的螺栓脐子用加强筋相连，见图5 和 6。这样不仅可以增加机体此处的刚度，也对安装在其上的零部件产生有效的约束。根据振型分析，将机体表面的加强筋重新布置，特别是在机体扭转和弯曲振型比较大的地方增加加强筋，也可以将一些不必要的加强筋移到最薄弱的地方，根据结构需要，也将一些加强筋适当加长或缩短
21、，具体改动详见图5 和 6。特别强调指出的是，运用DASP大容量数据自动采集和处理系统得出的机体动画显示在机体改进中起到了很大作用。改进前改进后图 5 机体改进前后的左侧面改进前改进后图 6 机体改进前后的右侧面机油泵的斜传动是指由凸轮轴上的斜齿轮带动机油泵轴，进而带动机油泵工作的一系列装置，在机体左侧为机油泵的斜传动设计的斜腔历来是铸造和机械加工的难点。由于此处壁很薄，所以刚度较小，容易发生破坏。在机体改进时在其下部增加一加强筋，对此处的刚度和强度有所加强，有效地减小表面的振动和噪声辐射。机体右侧机油尺安装孔位置与机油泵斜传动部位相似，下面应有有效的约束，所以在下面增加一加强筋。机体左侧的三
22、个侧盖板安装面，下面安装有挺柱，里面是油腔，安装推杆，上面与缸盖相连，另有呼吸器安装在中间侧盖板外面。所以此处局部结构比较复杂，空腔很多，铸造时又在下箱，容易出现局部硬点，造成局部刚度比较薄弱，这里也是机体改进的重点。在不影响安装尺寸和不影响安装零部件结构的前提下，将裙部的加强筋上延，对此处进行有效的约束，增加此处的刚度。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用机体右侧的机油冷却器安装面与左侧的侧盖板安装面一样，结构比较复杂，也容易出现铸造局部硬点，所以也将加强筋上延。机油冷却器安装面下面的8 个
23、斜丝堵脐子独立布置，也成为局部的刚度比较薄弱的地方。将裙部的加强筋上延到此处，对斜丝堵脐子进行有效约束，增加了此处的刚度。由于机体内部为柴油机的运动件和部分主要的配气机构。运动件包括有曲轴、活塞、连杆等组件，它们都有各自的运动空间，尤其是连杆有其运动的包络线。曲轴的运动空间和连杆的包络线与机体内壁的距离为24mm ，非常紧凑，所以在机体内部增加材料增加刚度是不可能的。机体内部主要的配气机构包括有凸轮轴、机油泵斜传动装置、挺柱、推杆等，内部空间比较紧凑，所以也不能在这些零件的内腔增加加强筋，只有在外壁增加加强筋。5.3 机体的有限元重分析根据修改后的机体结构，在计算机中建立有限元分析模型，进行有
24、限元重分析，以检验改进后机体的动态特性。建立与前面有限元分析时一致的坐标系坐标原点位于机体上平面一缸气缸中心，X 轴为垂直于气缸排列的水平方向，Y 轴为竖直方向，Z 轴沿气缸排列方向）。根据所建立的有限元模型，得出改进后机体有限元重分析计算结果见表5，主要振型如图 7。表 5 改进后机体有限元重分析计算结果阶数频率 Hz）振 型 分 析1 462.7一阶扭转振动2 1104.9绕 Y轴的一阶弯曲振动3 1515.6二阶扭转振动4 1729.7绕 Y轴的弯曲和扭转振动5 1848.8绕 Y轴的弯曲振动6 1898.5绕 Y轴的弯曲振动7 2254.2局部振动图 7 机体改进后有限元分析主要振型图
25、从以上振型不难看出，机体结构改进后，主要振型向高频发展。因为对柴油机危害较大的主要是低频成分，所以说明机体的改进非常有效。机体裙部的振动明显减小，在很大程度上增加了机体裙部的刚度，从而解决了用柴油机机体裙部刚度差的缺点。通过对改进后机体模型的有限元重分析，很好地说明了机体改进非常成功，机体的动态特性得到了明显的改善。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页个人资料整理仅限学习使用6、结论6. 1、通过对柴油机的表面振动、振动能量分布情况的分析，整机的振动烈度的测量，得出了未改进前的动态特性情况。同时也说明了柴油机的振动
26、烈度偏大，需要进行分析改进。6. 2、有限元法作为一种典型的求解连续场偏微分方程的数值计算方法，是现代设计的主要手段，结构有限元分析是发动机结构现代设计方法学的重要内容。对柴油机机体有限元计算得出机体的主要振型分布情况，是机体的设计和改进设计的主要依据。6.3 、通过对机体进行模态实验分析，指出机体结构的主要振型分布情况，验证了机体有限元计算的结果，同时也找出了机体结构的薄弱之处。6.4 、机体有限元计算分析、模态实验分析以及对柴油机整机变形特性的研究具有很好的一致性，找出了机体刚度的薄弱环节并予以改进，并利用计算机建立有限元重分析模型并进行有限元重分析，得到了很好的效果。参考文献1、李德葆张
27、元润主编振动测量与实验分析机械工业出版社；2、傅志方主编振动模态分析与参数识别械工业出版社；3、李德葆主编振动模态分析其应用北京宇航出版社；4、廖日东、左正兴等发动机零部件有限元技术应用的新进展，内燃机学报19992）；5、应怀樵主编现代振动与噪声技术航空工业出版社；6、万欣，林大渊主编内燃机设计天津大学出版社；7、方远翔等著振动模态分析技术国防工业出版社，1993；8、傅志方著振动模态分析与参数识别机械工业出版社，1990；9、李开泰，黄艾香等有限元法及其应用修订本）西安交通大学出版社，1992。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页