基于模態的發動機進氣歧管結構布置與優化設計

蔡興玲（安徽全柴動力股份有限公司，安徽2395000）

0 引言

發動機進氣歧管是發動機供給系統中的重要部件，直接影響到發動機的性能。進氣歧管的主要功能是將盡可能多的可燃混合氣或新鮮空氣均勻分配到各氣缸，故對進氣歧管的要求是：進氣阻力小、充氣量大。與傳統的鋁制進氣歧管相比，復合塑料（以下稱為塑料）進氣歧管具有一定的優越性：塑料進氣歧管內表面光滑，可進一步減少進氣阻力，提高充氣性能；更重要的是，塑料進氣歧管質量輕，成形工藝簡單、生產效率高。隨著汽車輕量化技術的發展，塑料進氣歧管將逐漸替代鋁制進氣歧管。某發動機為了滿足更高的節油要求和排放要求，進氣歧管材料由鋁制改為塑料材質，并增加了EGR進氣方式。

一般情況下，進氣歧管結構相同時，其模態頻率的平方與材料的彈性模量E成正比、與材料的密度ρ成反比，即f∝鋁制材料彈性模量E通常為70 GPa，相對密度2.7；本案塑料歧管材質為PA6+30%玻纖，彈性模量E約為8 GPa，相對密度1.37；因此，塑料進氣歧管模態頻率較鋁制的低一些。從發動機振動角度而言，將鋁制進氣歧管改成塑料進氣歧管，必須對原結構進行更改設計，以滿足發動機可靠性要求；另外，為了提高塑料進氣歧管的模態頻率，通常情況下都需要在歧管適當的位置添加輔助支撐。由此，需要運用模態分析理論，對新設計的塑料進氣歧管結構和輔助支撐位置進行振動模態分析，以獲得優化的歧管結構設計和輔助支撐布置。

1 進氣歧管方案

采用塑料進氣歧管的發動機為3缸直噴式汽油機，其主要參數如表1所示。

表1 發動機主要參數

為獲得最優進氣歧管，設計了A、B、C三種歧管方案和3種不同的輔助支撐方案。3種歧管方案見圖1。

方案A為匹配升級的汽油機進行的原始設計方案，其3維結構布置如圖1a）所示。與原鋁制進氣歧管相比，進氣特性通過CFD流動計算進行重新匹配，結構外形與原鋁制進氣歧管差異明顯，必須進行模態振動計算以驗證方案可行性。

方案B與方案A的主要的差異在于將方案A的穩壓腔與進氣歧管分開，目的是使歧管成形工藝更加簡單。方案B進氣歧管的3維結構布置如圖1b） 所示。

方案C與方案A一樣，采用穩壓腔與進氣歧管本體連接在一起的設計思路，增強進氣歧管的結構剛度，提高進氣歧管的可靠性。與A、B兩種方案相比，方案C在歧管外形上做了進一步設計優化，增加了能提高結構剛度的輔助設計。方案C進氣歧管3的維結構布置如圖1c）所示。

圖1 進氣歧管方案

作為進氣歧管輔助支撐的支架，其結構受發動機布置空間的限制，在仿真初期難以完全確定；但是支架在歧管上的安裝位置則基本上是固定的。通常輔助支架固定位置，一處位于靠發動機側的歧管實體塊上，一處位于電子節氣門的某一螺栓處。

位于進氣歧管本體處的輔助支撐支架共2種結構，由于布置位置相同，在此均稱為支架1，用符號a、b對結構特征加以區分。其中支架1-a為原發動機上采用的支架結構，進氣歧管方案A在歧管實體支撐位置上沿用了這一支架方案。支架1-b為進氣歧管方案B及方案C采用的支架結構。由于在歧管本體上的支撐位置與方案A有所不同，對該支架結構進行了更新設計。

支架2為固定于電子節氣門位置的輔助支撐，其中的支架2-a結構采用單螺栓布置，歧管方案A及B采用該支架結構，支架2-b采用雙螺栓布置形式，C方案采用這種結構形式的支架。各輔助支撐的詳細結構如圖2所示。

圖2 輔助支撐

2 模態理論及設計目標

模態分析是研究結構動力特性的一種方法，一般應用于工程振動領域；模態分析又是結構動態設計及故障診斷的重要方法[1-4]。模態是指機械結構的固有振動特性，每個模態都有其對應的特定固有頻率。1階模態固有頻率在振動中起主要作用。為了避免進氣歧管發生共振，應盡可能地提高進氣歧管的1階模態固有頻率。該進氣歧管匹配的發動機為3缸4沖程，轉速覆蓋范圍為700～5 000 r/min，因此對應的發火激勵頻率為17.5～125 Hz。要避免發生共振，歧管1階模態固有頻率必須遠離125 Hz。一般情況下，按照經驗設計要求，振動傳遞率小于2，根據強迫振動理論可知，頻率比應該小于0.707。因此，本案的模態設計目標：塑料進氣歧管的1階模態固有頻率需要達到177 Hz。

3 計算模型及邊界條件

計算模型包括進氣歧管及電子節氣門。電子節氣門直接與進氣歧管法蘭面連接，其質量及質心位置對歧管模態有很大的影響，建模時必須考慮節氣門對振動模態的影響。雖然電子節氣門結構復雜，且各部分材料屬性不一致，但不需要對結構進行詳細建模，而是采用質量塊代替電子節氣門，準確反映其質量及質心位置即可。節氣門與歧管法蘭面之間建立MPC接觸關系，使得接觸面之間在振動情況下不分離。接觸算法選擇分布耦合法，即允許耦合面上的各部分之間發生相對變形，比運動耦合中的面接觸更貼近實際情況。

有限元網格模型如圖3所示，位移邊界約束在進氣歧管與缸蓋法蘭配合面上。其中節氣門網格采用六面體網格，進氣歧管本體采用高階四面體單元。有限元模型共包含 C3D4單元10 800個，C3D10M單元216 580個。

圖3 進氣歧管有限元網格模型

4 計算結果與分析

4.1 方案A

方案A進氣歧管在無輔助支撐情形下，1階模態固有頻率為68 Hz，2階模態固有頻率為98 Hz，3階模態頻率為204 Hz。無輔助支架時，針對1.5階發火激勵，進氣歧管會在2 720 r/min和3 920 r/min時產生共振，共振的幅值取決于所對應階模態的阻尼比。因此，進氣歧管必須安裝適當的輔助支撐。由于1階模態固有頻率在振動中起主要作用，因此，下面的模態計算僅計算進氣歧管1階模態固有頻率。方案A進氣歧管1階模態振型見圖4。

圖4 方案A進氣歧管1階模態振型 （68 Hz）

根據進氣歧管在整機上的安裝條件，為方案A進氣歧管設計了3種輔助支撐方案：僅安裝支架1-a、僅安裝支架2-a、同時安裝支架1-a和支架2-a。分別對A進氣歧管+3種不同輔助支撐方案進行模態振動計算，計算結果如圖5所示。由圖5可知，僅安裝支架1-a時的1階模態固有頻率為164 Hz；僅安裝支架2-a時的1階模態固有頻率為74 Hz；同時安裝2個支架 （支架1-a和支架2-a）的1階模態固有頻率178 Hz。

圖5 方案A進氣歧管+不同輔助支撐的1階模態振型

從計算結果可以看出，支架2-a的剛度較弱，未發揮出其應有的支撐作用。比較圖5中3種輔助支撐的1階模態固有頻率可知，相比無支架狀態，支架2-a未能明顯提高歧管結構的1階固有頻率（僅從68 Hz提高到74 Hz），其仍處于發火激勵共振區 （3 000 r/min）； “支架1-a方案” 和 “支架1-a+支架2-a方案”均明顯提高了歧管結構的1階固有頻率，其對應的發火激勵共振轉速分別為6 560 r/min和7 120 r/min；在發動機處于6 000 r/min，阻尼比為0.01時，振動傳遞率分別為5.73和3.35，均大于2。從傳遞率要求來說，3種輔助支撐方案均不能滿足設計要求，但 “支架1+支架2方案”略好些。

4.2 方案B

方案B進氣歧管在無支撐狀態下，1階模態固有頻率為42.6 Hz，2階模態固有頻率為52.2 Hz，3階模態頻率為68.6 Hz，其1階模態振型如圖6所示。可以發現，方案B的進氣歧管穩壓腔與3個缸的進氣歧管分離后，模態固有頻率有所降低。關鍵是1階模態頻率由68 Hz降為42.6 Hz，且方案B的歧管前幾階模態頻率分布很密集，針對1.5階發火激勵，進氣歧管會在 1 704 r/min、2 088 r/min、2 744 r/min等發動機工作轉速時產生共振。這必須避免。

圖6 方案B進氣歧管1階模態振型 （42.6 Hz）

對方案B進氣歧管，采用支架1-b、支架2-a進行輔助支撐。支架1-b安裝在近節氣門的右下方，支架2-a安裝在靠節氣門側的第1缸進氣歧管上。對B方案采用輔助支撐后的模態振動進行計算，計算結果如圖7所示。

圖7 B方案進氣歧管+輔助支撐1階模態振型

方案B進氣歧管采用輔助支撐后，其1階模態固有頻率僅為99.7 Hz，與設計目標177 Hz相差甚遠。這種情況下，即使阻尼比達到3%，當發動機轉速接近4 000 r/min（點火頻率100 Hz）時，振動傳遞率也將達到16.7。這是不可接受的。因此，這種將穩壓腔與歧管分離的進氣歧管結構，即使有輔助支撐也難以達到設計目標。建議進氣歧管結構設計時，穩壓腔應盡可能與各缸歧管緊密結合在一起，這對改善歧管的振動特性是有利的。

4.3 方案C

方案C進氣歧管在無支撐狀態下，1階模態固有頻率為86.7 Hz，2階模態固有頻率為114 Hz，3階模態頻率為232 Hz。其1階模態振型如圖8所示。從圖8可以發現，方案C的進氣歧管，穩壓腔與3個缸的進氣歧管緊密結合在一起，模態固有頻率有所提高，說明整體進氣歧管的剛度好。

圖8 方案C進氣歧管1階模態振型 （86.7 Hz）

給方案C進氣歧管增加輔助支撐，采用支架2-b進行支撐。對方案C進氣歧管增加輔助支撐后的模態振動進行計算，計算結果如圖9所示。

圖9 C方案進氣歧管+輔助支撐1階模態振型

方案C進氣歧管安裝支架后1階模態固有頻率能夠達到201 Hz，達到設計目標177 Hz。

通過上述分析可知：1）3個進氣歧管方案在無輔助支撐狀態下，1階模態頻率都位于發動機工作轉速范圍內，均會產生共振，因此必須安裝適當的輔助支撐；2）方案A中的支架1-a對進氣歧管支撐剛度有明顯的提升作用，而支架2-a對進氣歧管支撐剛度影響較小；3）將穩壓腔與各缸歧管分離的進氣歧管結構，即使加上輔助支撐也難以達到設計目標，建議穩壓腔應盡可能與歧管緊密結合在一起，增強歧管本體的抗振動特性；4）沒有輔助支撐情況下，1階模態固有頻率C方案最高，為86.7 Hz，方案B最低，為42.6 Hz，C方案為68 Hz；5）增加輔助支撐后，A和B方案均不能滿足設計目標，但方案A優于方案B，而方案C最優，為201 Hz，達到設計目標。

5 結論

模態分析方法適用于產品的失效分析及改進分析。采用模態分析方法對某款發動機塑料進氣歧管的3種改進設計方案進行分析，方案C為最優，并最終通過了發動機臺架耐久試驗。模態分析的優勢在于對邊界條件依賴少，無需獲取準確的進氣歧管實際振動邊界，就可進行強迫振動響應分析，這樣可以快速對進氣歧管本體結構及支撐布置進行選型設計。這在概念設計階段對指導設計具有重要意義。