汽車空氣濾清器的結構分析及優化

佘振成

摘 要：本文主要針對現下汽車部件中空氣濾清器結構，通過運用HYPERMESH軟件來構建有限元模型及對模型進行全面研究，從而獲得汽車空氣濾清器結構模態數值以及剛度數值，并結合相應的對比分析結果，提出了有效的優化策略，供相關人員參考借鑒。

關鍵詞：汽車空氣濾清器;結構分析;優化探討

空氣濾清器是汽車進氣系統的一個重要部件，它的用途是清除空氣中的微粒雜質，給發動機提供純凈的空氣。空氣濾清器容易受到進氣系統中高速氣流以及發動機外部激勵的影響，另外通常情況下被設計成薄壁殼體形狀，導致容易產生輻射噪聲殼體噪聲大小與殼體固有頻率息息相關，如果發動機激勵頻率和殼體固有頻率相接近會產生共振，并且輻射噪聲會變大。

1 汽車空氣濾清器有限元模型的建立

1.1幾何清理

為了便于汽車空氣濾清器有限元模型的建立，相關技術人員在采用HYPERMESH軟件時，應該將其劃分成若干均等的網格，并將那些在三維實體中一些不必要的小線、小面直接去除掉，進而縮短工作人員對模型的計算時間，減少其設計成本。此外，在對汽車空氣濾清器有限元模型進行模態分析時，可以直接省去對空氣濾清器內部濾芯影響的分析。

1.2網格劃分

汽車空氣濾清器有限元模型的建立，一般是在三維建模軟件CATIA中建立，并可直接將有限元模型保存為中間格式，以便可以有效引入HYPERMESH軟件，對模型進行網格劃分。通常HYPERMESH軟件可以結合有限元模型結構劃分為1.5mm標準的網格模塊，然后還要對這些模塊質量進行全面的檢測，若發現與預期標準不符的問題，則要先采取優化措施加以及時的調整，完全合格后才能生成實體單元。此外，還要利用焊點方式對空氣濾清器的上下殼體進行有效連接，以便使其形成一個含有約320000多個節點和590000多個單元的整體網格結構。

2 汽車空氣濾清器模態分析要求及結果

模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每個模態具有特定的固有頻率、模態振型和阻尼比。對于文中的空氣濾清器殼體，忽略阻尼。在一個振動系統中，對系統影響最大的是低階模態，所以在進行模態分析時，通常只考慮空氣濾清器的前4階模態的固有頻率和振型。

空氣濾清器一般安裝在汽車發動機的進氣系統上，當發動機處于運行狀態時，空氣濾清器系統就會產生相應的振動反應。一般情況下，當汽車發動機處于一階模態時，其會導致空氣濾清器發出一定的噪音，而為了控制濾清器與發動機外部激勵產生共振、噪聲及破壞等不良情況，相關設計人員在對空氣濾清器結構進行設計時，就要嚴格按照出廠廠家標準，對發動機一階模態值進行相應的調整，盡可能使其大于發動機的點火頻率。另外，汽車空氣濾清器模態值還會隨著外界氣溫溫度的變化而發生相應的改變，通常情況下，空氣濾清器殼體模態要低于外界溫度5%-10%。以某四缸汽車空氣濾清器為例，當發動機處于一階模態時，其殼體模態值基準應以275Hz為主，若是將HYPERMESH網格數據導入NASTRAN軟件進行模態分析求解，則最終的求解結果與所呈現的各缸體模態值相比，其一階模態值要低于基準值很多。

3 汽車空氣濾清器結構體積剛度分析及結果

當汽車濾清器在正常運行階段時，其系統內部會因為氣體壓力的影響而出現濾清器變形量過大或者損壞等嚴重現象。如若按照出廠廠家標準，對其系統內的氣體壓力加載到l04Pa時，則汽車空氣濾清器結構體積剛度必須處于3x10-3

cm3/Pa范圍內，這樣才能避免系統內部結構發生變形或損壞現象，反之，若是大于這個基準數值，則變形程度就會十分明顯，空氣濾清器結構體積剛度數值變化的前后狀態，當初始空濾空腔體積為8263cm3時，若是氣體壓力加載到l04Pa，則壓強后的空濾空腔體積就變化為8320cm3，而體積剛度也可利用公式（8320-8263）/105=5.7x10-3cm3/Pa來計算，由結果可得知該濾清器系統質量出現很大的問題，屬于不合格產品。

4 汽車空氣濾清器結構優化

根據上述分析結果，可以看出，若是汽車空氣濾清器結構不符合相關設計標準時，則為了使其可以延長使用壽命，提升相應的應用功能，相關設計人員和技術人員就要對其整體結構設計進行全面的優化，具體優化措施有3種：①改善空氣濾清器的材料質量，使之有原有的PP+TD20材料轉化成PP+GF30材料，或者將PP+TD20材料替換成PP+TD40材料;②在改變濾清器材質的基礎上，還要增設兩個安裝點，盡量將其設計在空濾器的兩側;③在將原有系統材料替換成新的材質后，還要對濾清器下體部位的壁厚進行合理調整，盡量結合實際情況來進行。據相關實踐證明，經過這3種優化措施而成的汽車空氣濾清器系統，不僅性能穩定，而且結構體積剛度與模態數值都能夠與相應的設計規范要求相吻合，大大提升了汽車行駛的速率和安全性。

5 結論

①針對空氣濾清器在工作中易發生振動和噪聲的問題，對空氣濾清器進行了模態分析。使用HYPERMESH進行優化設計，可以降低設計的盲目性，縮短產品開發的周期和成本，為產品開發提供可靠的依據。

②利用HAPERMESH建立空氣濾清器的有限元模型，通過模態分析，得到了空氣濾清器的模態情況和振型分布，同時對它的體積剛度進行分析，發現不符合企業設計規范中關于1階固有頻率和體積剛度的要求。接著通過改變殼體材料，增加安裝點，增加殼體厚度等進行了結構優化。

結語

綜上所述，在汽車發動機進氣系統中，空氣濾清器是其最關鍵的組成元件，必須重視濾清器結構設計的合理性、標準性以及規范性，這樣才能達到預期效果，提高汽車的運行性能。

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