□ 陳 馨 □ 林 浩

北京北汽越野車(chē)研究院有限公司 北京 101300

1 存在的問(wèn)題

發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上方,用于遮擋發(fā)動(dòng)機(jī)上的復(fù)雜管路,美化發(fā)動(dòng)機(jī)艙。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩內(nèi)附有隔聲棉,可降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲[1]。另外,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩可隔離發(fā)動(dòng)機(jī)熱量,避免熱量傳遞至引擎蓋上,保護(hù)引擎蓋油漆[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩在汽車(chē),尤其是在國(guó)產(chǎn)汽車(chē)上得到較多的應(yīng)用。

在汽車(chē)行駛過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩一方面受到因路面不平、行駛速度和方向變化而產(chǎn)生的路面激勵(lì),另一方面受到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì),當(dāng)這些激振頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩固有頻率接近時(shí),將會(huì)產(chǎn)生共振[3-4]。共振一旦發(fā)生,輕者會(huì)產(chǎn)生噪聲,重者會(huì)造成零部件損壞,影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩正常工作[5]。筆者公司某款車(chē)在綜合耐久試驗(yàn)中,在越野路強(qiáng)化路段出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩減振墊脫落、開(kāi)裂,以及裝飾罩脫落的情況。考慮到越野路行駛條件差,路面顛簸嚴(yán)重,發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)較大,初步判斷振動(dòng)是造成發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩減振墊脫落、開(kāi)裂,以及裝飾罩脫落的主要原因。為了驗(yàn)證判斷,筆者應(yīng)用仿真軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成進(jìn)行模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩一階固有頻率在路面激勵(lì)范圍內(nèi)。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,解決了發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩減振墊脫落及開(kāi)裂的問(wèn)題,保證了公司產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

2 模態(tài)分析基本理論

模態(tài)分析是用于確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種技術(shù),通過(guò)模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型,是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)內(nèi)容。通過(guò)模態(tài)分析,可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免共振發(fā)生,或者使結(jié)構(gòu)以特定的頻率進(jìn)行振動(dòng)[6-7]。通用的運(yùn)動(dòng)微分方程為[8-9]:

(1)

由式(1)可以得到無(wú)阻尼下結(jié)構(gòu)的固有頻率方程為:

([K]-ω2[M]){u}=0

(2)

式中:ω為結(jié)構(gòu)固有頻率。

求解式(2),可以得到結(jié)構(gòu)的各階固有頻率和相應(yīng)的振型。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成模態(tài)分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成進(jìn)行模態(tài)分析,首先應(yīng)用HyperMesh軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置,然后應(yīng)用ABAQUS軟件求解器進(jìn)行求解,得到發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成的固有頻率和振型。發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩有限元模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩、減振墊、連接支架、螺栓等部分,如圖1所示。

▲圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩有限元模型

發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩前側(cè)與發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝點(diǎn)距離較近,直接由發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩內(nèi)部伸出的塑料支架通過(guò)減振墊和球頭螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。受結(jié)構(gòu)布置影響,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩后側(cè)離發(fā)動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn),采用獨(dú)立支架與發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩進(jìn)行鉚接,再通過(guò)減振墊和球頭螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。減振墊內(nèi)嵌于發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩的連接支架內(nèi),球頭螺栓球頭部分嵌入減振墊,螺紋部分與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛度大,將發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為安裝塊,并進(jìn)行全約束。全部部件采用二階四面體單元模擬,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩和連接支架材料均為尼龍,減振墊材料為三元乙丙橡膠,螺栓及螺母材料為鋼。各部件間按實(shí)際連接情況采用綁定連接。應(yīng)用蘭喬斯算法進(jìn)行模態(tài)提取,計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成的前五階固有頻率,見(jiàn)表1。一階固有頻率為20.05 Hz,振型主要表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩兩側(cè)振動(dòng),如圖2所示。通常試驗(yàn)場(chǎng)路面激勵(lì)頻率范圍為0～20 Hz,發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率為25 Hz,由此可知振動(dòng)主要是由路面激勵(lì)引起的。在24通道臺(tái)架試驗(yàn)中,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩仍發(fā)生脫落現(xiàn)象,驗(yàn)證了以上推斷。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成前五階固有頻率

▲圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成一階振型

由以上分析結(jié)果可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成一階固有頻率基本與試驗(yàn)場(chǎng)路面激勵(lì)頻率范圍有重疊,在車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生共振,是造成發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩脫落的主要原因?？梢?jiàn),需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成一階固有頻率,以避開(kāi)路面激勵(lì)頻率。在提高一階固有頻率的同時(shí),還要避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率25 Hz?？紤]一定安全裕度,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成一階固有頻率應(yīng)高于30 Hz。發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩的工作狀態(tài)取決于自身的質(zhì)量、剛度及約束,可以從這三個(gè)方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成進(jìn)行優(yōu)化。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成一階振型為兩側(cè)抖動(dòng),觀察結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)集中在前后中線上,離發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩邊緣過(guò)遠(yuǎn),兩側(cè)沒(méi)有足夠的約束。通常發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)與裝飾罩邊緣距離小于150 mm,特殊情況下允許一個(gè)安裝點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩邊緣距離為150～250 mm[10]。發(fā)生問(wèn)題的發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)與裝飾罩邊緣距離在204.6～264.0 mm之間,大大超過(guò)了要求距離,且安裝點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩中線上。因此,需要縮短發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)與裝飾罩邊緣的距離,以此來(lái)增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩兩側(cè)的約束,同時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩插拔力。

對(duì)于減輕發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩質(zhì)量,可以通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

增大發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成剛度的做法包括在發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩上增加加強(qiáng)筋、增大發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接剛度等。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)布置、開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本的限制,發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下。

將發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩上的安裝點(diǎn)向外移動(dòng),移動(dòng)距離A為106.7 mm,B為125.3 mm,C為80.0 mm,D為81.7 mm,如圖3所示。此時(shí)四個(gè)安裝點(diǎn)距發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩邊緣的距離分別為157.3 mm、119.0 mm、145.0 mm、122.9 mm,滿足距離要求。發(fā)動(dòng)機(jī)上螺栓安裝位置不變,去除原發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩上的連接支架,在發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩之間增加兩個(gè)鋼支架進(jìn)行過(guò)渡連接。發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩與鋼支架通過(guò)減振墊和球頭螺栓連接在鋼支架兩端,鋼支架與發(fā)動(dòng)機(jī)直接通過(guò)螺栓連接,由此縮短發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)與裝飾罩邊緣的距離,并增大發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩與發(fā)動(dòng)機(jī)間的連接剛度。

▲圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將球頭螺栓頭部由半球形改為球形,球頭直徑由9 mm增大至10 mm,光桿部分由圓柱改為圓錐。同時(shí)優(yōu)化減振墊結(jié)構(gòu),并封閉澆筑放氣孔,由此增大發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩螺栓的連接力。減振墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比如圖4所示。

▲圖4 減振墊結(jié)構(gòu)

將發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩厚度由3 mm減小為2.5mm,減輕發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩的質(zhì)量。

對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成重新進(jìn)行模態(tài)分析,前五階固有頻率見(jiàn)表2。一階固有頻率由20.05 Hz提高至34.13 Hz,大于30 Hz,滿足優(yōu)化要求。發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成振型由兩側(cè)振動(dòng)變?yōu)閱蝹?cè)振動(dòng),優(yōu)化效果明顯。

表2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成前五階固有頻率

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)制作快速成型件,搭載至整車(chē)上重新進(jìn)行綜合耐久試驗(yàn),順利通過(guò)試驗(yàn),后期未再出現(xiàn)相關(guān)脫落問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩減振墊脫落、開(kāi)裂,以及裝飾罩脫落的問(wèn)題,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成進(jìn)行了模態(tài)分析。根據(jù)分析結(jié)果確認(rèn)了故障原因,并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后再次進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩再無(wú)出現(xiàn)脫落問(wèn)題。

通過(guò)分析確認(rèn),共振是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩脫落的主要原因。發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)集中在中線上,離裝飾罩邊緣距離過(guò)遠(yuǎn),是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩兩側(cè)振動(dòng)過(guò)大的主要原因。

均布安裝點(diǎn)位置,縮短發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩安裝點(diǎn)與裝飾罩邊緣的距離至安全范圍內(nèi),增大連接剛度,減輕發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩質(zhì)量,可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩總成的一階固有頻率。

針對(duì)工程問(wèn)題,采用計(jì)算機(jī)仿真手段可以有效分析故障原因,并迅速找到解決問(wèn)題的方法。