模態分析在發動機耐久試驗中的應用

楊超，尹東升，范寶慶，李日成，吳鵬

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模態分析在發動機耐久試驗中的應用

楊超，尹東升，范寶慶，李日成，吳鵬

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

模態試驗是解決NVH問題的一種常用的試驗分析方法，通過數采設備來測出物體的模態來進行分析物體的固有頻率、阻尼等。文章以某發動機在耐久試驗考核中頻繁發生機油尺支架斷裂的故障為案例，闡述了如何通過模態試驗來解決NVH實際問題的思路和方法。

發動機；模態；耐久；試驗

引言

隨著汽車行業如火如荼的發展，人們生活水平的不斷提高，客戶不單單關注汽車的動力性和經濟性，而越來越追求整車的舒適度。作為汽車的動力輸出源-發動機，它的NVH性能很大程度上決定了整車NVH性能的好壞。

所以，在一款發動機的研發初期和后續試驗過程中，發動機的NVH性能都是必須要考慮的。而模態試驗分析方法，則是解決NVH問題一種常用的試驗分析方法，它可以幫助我們了解產品發生問題的根源，而采取方法和措施從根本上去解決問題。

模態，顧名思義，就是物體的模型狀態。模態主要是指物體的固有頻率、阻尼等等，他是物體本身的一個固有屬性，一旦一樣東西的材料和形狀固定了，它的模態也相應固定了。模態試驗主要是指通過試驗設備測出被測件的模態，進行分析，找出問題點，然后針對問題采取對應方法和措施，進行整改。模態分析是一種方法，是一種手段，會給我們在解決NVH問題中指明方向。近期DAE某款發動機在耐久試驗考核中頻繁發生機油尺支架斷裂故障，觀察發現機油尺支架在一定轉速下抖動嚴重。通過模態試驗分析，發現了是機油尺支架強度不夠、固有頻率過小所致。

1 本文的研究意義和內容

1.1 本文的研究意義

進行模態分析的首要條件是進行模態試驗，測出被測件的模態。本文針對DAE某款發動機在耐久試驗考核中，連續三次頻繁發生機油尺支架斷裂這個問題，進行兩輪振動排查試驗以及機油尺支架模態試驗。振動測點為搖臂室罩、缸體、進氣歧管、機油尺支架，試驗工況按照臺架標準試驗工況進行。經排查，發動機振動正常，目標鎖定為機油尺支架本身，通過力錘敲擊模態試驗之后，發現支架本身模態剛度不夠，為后續采取方案整改提供了依據和方向。

圖1 搖臂室罩

圖2 進氣歧管

圖3 缸體

圖4 機油尺支架

圖5 自由模態

圖6 約束模態

1.2 本文的主要研究內容

發生機油尺斷裂的發動機在180h耐久試驗考核中，發動機在穩定6000rpm工況時機油尺固定支架相繼斷裂3個。為確認是否為發動機振動原因導致，首先進行第一輪發動機振動試驗進行排查。通過試驗結果確認故障非發動機本身振動所致，機油尺支架依然斷裂。后對機油尺支架進行振動試驗，確定支架本身問題導致。最后做機油尺支架的自由模態及約束模態試驗，發現機油尺固有頻率小于發動機在6000rpm時的二階激勵的頻率，在發動機耐久試驗中，機油尺支架長時間處于共振的轉速下，導致支架頻繁斷裂。

2 發動機機油尺斷裂模態分析試驗

2.1 第一輪振動試驗

第一輪振動試驗為故障排查試驗，測點為搖臂室罩、缸體、進氣歧管。工況按照臺架振動試驗標準進行。試驗結果如下：

圖7 搖臂室罩振動colormap

圖8 缸體振動colormap

圖9 進氣歧管振動colormap

從colormap圖上可以看出，發動機振動還是比較平穩且無明顯共振帶，所以可判斷發動機本身振動并不是導致機油尺斷裂的原因。

2.2 第二輪振動試驗

由于第一輪試驗時，機油尺仍處在斷裂狀態下，所以懷疑是機油尺支架本身的原因，所以第二輪試驗安裝上新的機油尺進行試驗。

圖10 機油尺支架振動colormap（X向）

圖11 機油尺支架振動colormap（Y向）

圖12 機油尺支架振動colormap（Z向）

圖13 機油尺支架2階振動曲線

從colormap圖上可以看出，在支架的x、y、z三個方向都在182Hz出現共振，提取三個方向的2階曲線，更直觀看出在5460rpm時，三個方向同時存在最大峰值，所以判定機油尺斷裂的原因是因為支架的共振引起局部應力過大，不滿足耐久條件導致。

2.3 機油尺支架自由與約束模態測試

由于機油尺支架的x、y、z三個方向都在182Hz出現共振，故對機油尺支架做模態試驗進一步分析：

圖14 機油尺支架自由模態頻響曲線

圖15 機油尺支架約束模態頻響曲線

通過對機油尺支架自由、約束模態測試結果，驗證了機油尺支架確實存在剛性不足的問題，在自由模態下，支架的一階模態為221Hz，但在約束模態下，其一階僅為176Hz，該頻率對應發動機二階轉速為5300rpm，在高轉速耐久工況下，極容易引起共振達到最大應力，導致斷裂。

2.4 整改建議

通過試驗的驗證與分析，顯然此發動機沒有對機油尺支架的性能條件加以控制，對NVH而言，機油尺支架盡量向上避頻，至少要超過6000rpm以上時的發動機2階激勵頻率；在耐久考核方面，此類支架的峰值振動要超過20g≈200m/s2。從模態測試數據中分析，更能確定其支架的剛性不足，在約束模態下，樣件的一階頻率僅為176Hz，導致發動機在5200rpm~5500rpm之間極易引起支架共振。而在發動機耐久試驗考核標準里，5200rpm~5500rpm是必須要考核的轉速范圍，所以這就導致了發動機機油尺支架頻繁的斷裂。另外，此支架僅在x和z方向只有85、147m/s2，應當加強。

按以往NVH性能經驗，機油尺安裝支架的約束模態要求超過240Hz，CAE部門通過計算，給出支架改進方案，通過倒角翻邊修改，支架強度加強，頻率提高。模型如下圖所示：

圖16 機油尺支架整改前

圖17 機油尺支架整改后

經過更改支架，頻率提高到238Hz，大于200Hz，不會產生共振風險。CAE又計算通過加載20g加速度載荷，改進后的支架應力分布明顯好于原支架，對抗共振斷裂能力有所提高。

圖18 機油尺支架原模型

圖19 機油尺支架改進模型

3 總結與展望

3.1 總結

本文首先提出了模態試驗分析是解決NVH問題的一種常用方法，接著以DAE某發動機在耐久試驗考核頻繁發生機油尺支架斷裂故障為案例，闡述了以模態試驗方法為基礎，從發現問題、分析問題、解決問題的方法和思路。

3.2 展望

模態一直是NVH領域里一個重要的課題，在產品初期研發，中間試驗驗證以及后續解決問題中，它都會起著舉足輕重的作用。模態試驗本身并不復雜，重要的是解決問題的思路和方法。作為一名試驗技術員，我們不僅應當積累每一次試驗的經驗，更應該拓展自己的思路，做到善于發現問題，找到問題的根本。同時，我們也可多將NVH試驗問題與CAE相結合，二者相輔相成，不但能拓展思路更能相互驗證。任重道遠，學海無涯，我們要一直秉承不斷學習的精神，去迎接更多的挑戰。

Modal analysis of engine durability test

Yang Chao, Yin Dongsheng, Fan Baoqing, Li Richeng, Wu Peng

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

Modal test is a common test analysis solutions to NVH problems through data acquisition equipment to measure the modal object to analyze objects natural frequency and damping. Taking a frequent engine oil dipstick stent fracture failure in an endurance test for the assessment of the case to explain how the ideas and methods to solve practical problems NVH through modal tests.

Engine;modal;durability;test

U464

B

1671-7988(2018)20-97-03

楊超，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心。

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1671-7988(2018)20-97-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.036