某汽油機減振器的分析與設計

張虎，左云

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

某汽油機減振器的分析與設計

張虎1，左云2

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

針對發動機臺架試驗過程中出現的橡膠過熱導致的失效問題，通過仿真法對減振器結構進行優化，并重新匹配減振器頻率。計算結果與測試數據基本一致。結構優化降低了減振器工作溫度，有效提高了發動機品質。

減振器橡膠老化扭振分析AⅤL EXCⅠTE扭轉角

1 前言

發動機的曲軸系振動是動力總成振動和噪聲的主要激勵源，而扭轉振動則是危害最大的振動問題。隨著發動機性能指標的不斷提高，曲軸的工作條件越來越苛刻，扭振問題也越來越重要；同時整車舒適性的高要求，也使得曲軸系扭振問題不斷凸顯。

在發動機設計過程中，必須對軸系的扭振特性進行計算分析，以確定其臨界轉速、振型、振幅、扭振應力以及是否需要采取減振措施[1]。

EXCⅠTE Designer是一款專門針對發動機的非線性多體動力學軟件。以經典理論為基礎，可對發動機軸系進行載荷分析、潤滑分析、扭振分析和強度分析。分析時將曲軸離散成集中質量點（含質量和慣量），它們之間使用彈性單元連接，計入結構剛度和材料阻尼[2]。

2 試驗故障與解決方法

我公司新開發了一款排量為2.0 L的直列四缸缸內直噴增壓汽油機，采用雙ⅤⅤT技術（可變進排氣氣門正時），附帶平衡軸。在進行熱沖擊試驗過程中，出現曲軸減振器失效。分析故障原因發現，由于該機型減振器橡膠壓縮率過大，且減振器為內置式，導致橡膠工作溫度過高，加速了橡膠老化，最終導致減振器失效。故障痕跡見圖1。使用熱成像儀對減振器工作溫度進行測試，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，減振器工作溫度最大為94℃，而正常工作溫度在70℃左右。為了降低橡膠工作溫度，減緩橡膠老化，決定對現狀態減振器進行優化，采用散熱性能更好的外置式減振器。

圖1 減振器故障照片

圖2 減振器工作溫度測試結果

3 減振器匹配與試驗驗證

3.1 減振器匹配

為降低減振器的工作溫度，采用散熱性能更好的慣量環外置的布置方案。減振器慣量環的慣量保持不變，仍為3.02 t·mm2，定調比在0.8～0.9范圍內，減振效果較好。無減振器時曲軸系一階扭轉頻率為508 Hz，故選擇減振器頻率為420±30 Hz。

3.2 不同頻率下減振器的扭轉振幅

為驗證本次減振器匹配效果，制作不同頻率的減振器進行扭振測試。試驗策劃時，選擇了3種方案，即：（1）方案1——減振器頻率為386 Hz；方案2——減振器頻率為427 Hz；方案3——減振器頻率為450 Hz。

386 Hz的減振器工作溫度如圖3所示。由圖3可知，更改為外置式減振器后，工作溫度最高為74℃，相比內置式減振器，工作溫度明顯降低。方案2與方案3的工作溫度與方案1的基本一致。

分析各減振器測試數據，查看測試數據是否合理。方案1減振器扭轉角如圖4所示。

圖3 方案1減振器慣量環工作溫度

圖4方案1減振器輪轂各階扭轉角

圖4 中箭頭所標位置為6階5 100 r/min處的扭轉角。查看整體轉速范圍6階扭轉角的走勢，可認為此處峰值為測試異常引起，不能作為仿真數據的標準。其余鋸齒形數據為測試數據波動引起，屬于正常情況。

方案1慣量環的各階扭轉角如圖5所示，其余方案的減振器輪轂扭轉角如圖6和圖7所示。

圖5 方案1減振器慣量環各階扭轉角

圖6 方案2減振器輪轂各階扭轉角

圖7 方案3減振器輪轂各階扭轉角

4 仿真結果與試驗數據對比

4.1 仿真模型的校正

仿真結果和試驗結果對比的前提是仿真模型與試驗模型一致。在本次試驗過程中，曲軸前端安裝1個60齒的刻度盤，飛輪則采用臺架試驗用的工藝飛輪，并通過鋼制連接盤與測功機相連接。在建立仿真模型時，須考慮這些外部影響條件。將刻度盤的轉動慣量加至輪轂，將連接盤轉動慣量加至飛輪，即為本次試驗臺架的仿真模型。其EXCⅠTE模型參見圖8，其中曲軸模型見圖9。

圖8 曲軸多體動力學模型

圖9 曲軸模型

圖10 方案1曲軸系扭轉模態

曲軸的一階扭轉頻率為384.7 Hz（圖10），與試驗值380.9 Hz一致。因此認為本曲軸模型準確，可進行下一步工作。曲軸的2階和3階扭轉頻率分別為586.6 Hz和1 456.5 Hz。

4.2 仿真結果與試驗數據的對比

使用上述曲軸模型，對方案1減振器扭轉角進行對比。輪轂的各階扭轉角與試驗值的對比如圖11所示，慣量環的各階扭轉角與試驗值的對比如圖12所示。

圖11 方案1減振器輪轂各階扭轉角

圖12 方案1減振器慣量環各階扭轉角

由圖11和圖12可知，輪轂和慣量環的各階扭轉角試驗值與仿真值不僅在整體趨勢上一致，而且幅值誤差在10%以內，可認為仿真結果與試驗值一致。這說明本減振器曲軸系模型與實際臺架測試模型一致。可使用該模型進行下一步工作。其余方案減振器數據對比如圖13和圖14所示。

根據以上結果對比，認為此次結果對比情況較好，滿足設計要求。外置式減振器頻率最終確定為420±30 Hz。

使用420 Hz外置式減振器重新進行熱沖擊試驗，順利通過600 h耐久試驗，沒有出現類似故障和失效。

圖13 方案2減振器輪轂各階扭轉角對比

圖14 方案3減振器輪轂各階扭轉角對比

5 結論

結合發動機開發過程中出現的實際問題，優化了減振器的結構，并對減振器主要參數重新設計，使之滿足了發動機開發要求。

外置式減振器較內置式減振器可有效降低橡膠工作溫度，降低失效風險。利用合理的仿真模型，可有效降低發動機開發成本，減少開發時間。

可見，在發動機開發過程中，根據實際情況，使用仿真法對發動機進行設計和優化，可有效減少開發費用和時間，為發動機的質量提供有力保障。

1楊連生編著.內燃機設計[M].北京：中國農業出版社，1981.

2 AVL EXCITE Designer manuals.

Analysis and Design ofⅤibration Damper for a Gasoline Engine

Zhanghu1,Zuoyun2
（1.Technical Center,Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China; 2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center,Baoding 071000,China）

To solve the problem of a damper rubber part overheating in engine bench test,the structure of a vibration damper is optimized by simulation and the damper frequency is matched to reduce its operating temperature.Moreover,the simulation and test results are matched well and the engine quality is improved significantly.

vibration damper,rubber aging,torsional vibration analysis,AⅤL EXCⅠTE, angular displacement

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.004

來稿日期：2013-09-29

張虎（1986-），男，學士，主要研究方向為曲軸多體動力學。