車用動力總成模態優化研究

摘要：針對某車用動力總成試驗過程中發動機和變速器結合面滲油的情況，運用有限元模態分析和試驗模態分析相結合的方法，研究動力總成的固有模態。結果表明，動力總成一階模態只有176.1Hz，低于發動機最高轉速下的點火激勵頻率，存在發動機運轉過程中在某個轉速點產生共振的風險。經過有限元模態分析一階模態陣型，顯示薄弱位置在缸體、油底殼與變速器的結合面處;通過對缸體和油底殼增加加強筋進行優化，使動力總成的一階模態提高到240.2Hz，比優化前提升了36.4%，二階模態也提升了22.5%。優化后的動力總成試驗模態分析結果表明：該方案提高了動力總成固有模態。

Abstract： Aim the oil-leakage problem during the powertrain test， Combining finite element modal analysis with modal experiment， to study the vibration modes of powertrain. The result show， The first-order mode of the powertrain is only 176.1Hz， Lower than the ignition excitation frequency of the engine， have a risk of resonance. Through finite element modal analysis， find the first-order mode on the junction surface cylinder of the block、oil pan and transmission is lower; add the reinforcing bar on the cylinder block and oil pan， Improve the first-order mode of powertrain to 240.2Hz， increased by 36.4%， and second-order mode also increased by 22.5%. The optimized test modal shows that：the natural frequency of the powertrain increased.

關鍵詞：固有模態;動力總成;頻率;模態分析;模態測試

Key words： modal;powertrain;frequency;modal analysis;modal test

0 ?引言

動力總成作為汽車的關鍵零部件，為汽車提供源源不斷的動力輸出。動力總成在運轉過程中由于激勵產生的彎曲和扭轉振動等動態特性對汽車的NVH及駕乘舒適性有著重要的影響，對動力總成進行模態分析是研究動力總成彎曲和扭轉振動等特性的主要手段[1]。

一款增壓直噴汽油發動機和自動變速器構成的動力總成，在試驗過程中發現在高轉速區域動力總成抖動明顯，并且存在結合面漏油的問題，初步懷疑動力總成運行過程中產生共振[2-6]。本文通過有限元模態分析和試驗模態分析相結合的方法對此動力總成的彎曲和扭轉振動等動態特性進行分析研究，找出薄弱點并進行仿真優化及試驗驗證，提升動力總成模態，消除共振風險。

1 ?發動機激振頻率

發動機運轉時，混合氣體在氣缸內點火燃燒推動曲軸轉動產生的轉矩脈沖，在發動機持續運轉時，此脈沖式周期性出現的，我們稱其為點火激勵，其是動力總成激勵的主要來源[1]。對于點火間隔固定的多缸發動機，其點火脈沖頻率可以由下式計算的到：

其中，f為激振頻率;i為發動機氣缸數;n為發動機轉速;？子為發動機沖程數。

此次研究的發動機基本參數如表1所示。

由以上可以求得此發動機的點火脈沖頻率為25Hz～176.7Hz，同時考慮10%的安全余量，我們要求動力總成的一階模態大于200Hz。

2 ?動力總成試驗模態分析

2.1 模態測試方法及數據分析

為了解該動力總成的固有模態，對動力總成進行了模態試驗。試驗系統主要有激勵系統（激振器）和LMS振動測試系統組成。對于動力總成模態試驗，理論上需要用測點將動力總成的外輪廓表示出來，通常至少要求8個測點組成一個長方體。本次測試為了使測量更加準確，在動力總成的表面共布置48個測點，其中發動機24個，變速器24個。測點按照能夠充分反映動力總成的結構特點和便于布置傳感器的原則進行位置分布，如圖1所示。

由圖1可知，動力總成的測點均布在發動機和變速器的外表面，能夠很好的反映其結構特性。

對于動力總成的模態測試，如果采用1個激勵點，在某些方向上產生的響應可能會非常小，因此本次采用2個激勵點，分別布置在發動機油底殼和變速器上，這樣能更好的將動力總成六個方向的剛體模態激發出來。試驗時，用彈性繩懸吊動力總成，使其達到自由狀態，同時把48個測點均布在動力總成上，搭建好的試驗臺架如圖2所示。

2.2 模態測試結果

根據圖2搭建好的臺架進行動力總成的模態測試，結果如表2所示，圖3為試驗模態測試結果振型。

由表2可知，此動力總成的一階模態為176.1Hz<200Hz，不滿足設計要求。而動力總成在進行試驗時，運行工況在是發動機的全轉速范圍內進行，由第一章節知道，發動機在最高轉速點的點火脈沖頻率為176.7Hz，大于動力總成的一階模態，存在發動機運轉過程中在某個轉速點產生共振的風險。

由圖3我們可以知道，動力總成一階模態為彎曲振型，彎曲位置在發動機缸體和油底殼與變速器的結合面，即出現滲油的位置。

3 ?動力總成有限元模態優化分析

有限元分析可以通過計算機軟件對數字模型進行計算分析，可以用最低的成本找出優化的方案，避免了在多種方案下制作樣件進行試驗分析造成的時間和成本的浪費。

3.1 動力總成有限元模態分析

考慮到動力總成結構的復雜性，結合有限元分析方法對模型進行簡化處理。發動機部分留下缸體、缸蓋、油底殼、前蓋，去除發動機的其他附件采用質量點代替;變速器殼體部件保留，內部齒輪等零件也采用簡化成質量點來替代。利用Hypermesh軟件對集合模型進行離散化、材料定義等前期處理，生成有限元模型，并進行計算分析。分析結果如表3所示，原動力總成的有限元模態分析結果如圖4所示。

由圖4可知，動力總成在發動機缸體、油底殼底部與變速器的結合面產生了彎曲變形，與圖3的一階彎曲振型類似。因此可以判定，由于發動機運行時動力總成在變速器與發動機缸體和油底殼結合面產生彎曲變形，導致變速器殼體密封面有平面貫通，產生滲油風險。

由表3可知，動力總成有限元模態分析與試驗模態結果一階和二階的模態頻率誤差小于10%，振型也基本一致，說明有限元模態分析和模態試驗的結果一致性較好，動力總成的有限元模型準確。

3.2 方案優化及分析

根據3.1的分析可知，動力總成的一階模態頻率偏低，在運行轉速范圍內可能會存在共振風險，因此提高動力總成的一階模態頻率避開發動機的激振頻率是最有效的方法。

在平臺化增壓汽油機新潤滑系統分析模型中，各個新的零部件均賦予相應的流阻特性曲線（供應商處獲得）用于計算機油管路壓力、流量的變化。

提高動力總成的剛度能有效的提高其固有頻率。目前提高剛度的方法有：①增加結合面零件的厚度，②在結合面零件表面增加加強筋。增加厚度會導致零件質量增加，使得零件成本增加，還會因為重量增加導致油耗上升;增加加強筋能夠很好的考慮零件的結構和布置，并且質量增加較少，是常用的方法。

為了提高動力總成的固有頻率，讓動力總成在運行轉速范圍內不發生共振，通過圖4的分析，我們發現在缸體和油底殼處存在高應變能密度區域，因此考慮在此區域增加加強筋。優化設計方案如圖5所示。

對圖5的優化方案裝配到動力總成模型中，進行有限元模態分析，分析結果如表4所示。

由表4可知，設計優化后的動力總成一階有限元模態達到了245.6Hz，滿足設計要求;并且優化后的一階模態比優化前的一階模態提高了39.3%，二階模態提升了9.7%。

圖6為動力總成優化后的一階模態分析結果振型，通過增加加強筋的優化設計，動力總成在發動機與變速器結合面以及油底殼底部彎曲變形減小了。

4 ?優化方案試驗模態分析

根據章節3的優化方案，制作樣件裝配動力總成進行試驗模態分析，測試結果如表5所示，圖7為優化后試驗模態測試結果振型。

由表5可知，設計優化后的動力總成一階有限元模態達到了240.2Hz，滿足設計要求;并且優化后的一階模態比優化前的一階模態提高了36.4%，二階模態提升了22.5%。

由圖7我們可以知道，優化后的動力總成一階固有頻率相對于優化前的得到了改善。

5 ?結論

通過有限元模態分析與試驗模態分析相結合，找到動力總成的模態薄弱點并優化改進，研究結論如下：

①動力總成的一階模態頻率需要大于發動機的點火激勵頻率，避免發動機運行時產生共振損壞發動機。

②發動機油底殼和缸體抗彎強度低是導致動力總成模態低的原因。

③優化后的動力總成模態提升了36.4%。

④優化后的動力總成一階模態彎曲模態相對于優化前的得到了改善。

參考文獻：

[1]沃德·海倫等著，白化同，郭繼忠譯.模態分析理論與試驗[M].北京：北京理工大學出版社，2001.

[2]束衛兵，孟浩東.柴油機動力總成異常振動的模態分析[J]. 小型內燃機與摩托車，2013，42（5）：14-16.

[3]Hwang S J，Chen J S，Liu L，et al. Modeling and simulation of a powertrain-vehicle system with automatic transmission[J]. International Journal of Vehicle Design， 2003，23（1）：145-160.

[4]樊逸斌，張平，段小成，等.基于運行模態法的動力總成缸體模態試驗研究[J].噪聲與振動控制，2010，30（6）.

[5]王良模，王文源，張一京，等.基于模態分析的某越野車動力總成殼體結構優化[J].南京理工大學學報，2015，39（3）.

[6]吳鵬.基于試驗模態和計算模態的動力總成動力學分析[J]. 中國工程機械學報，2013，11（6）：534-536，541.

作者簡介：李佳家（1987-），男，工程師，研究方向為車用汽油機設計開發。