基于C AE分析的发动机共振问题研究
李壮
(广西玉柴机器股份有限公司，广西南宁530007)
摘要：为解决柴油发动机振动超标问题，分析发动机中的零部件及安装支架等固有频率的同时，需分析发动机总成固 有频率在发动机运行过程中产生的影响，采用C A E分析软件对几种设计方案进行计算分析。计算结果发现改变整机设计结构，可以提升发动机总成的固有频率，避免发动机常用转速运行过程中产生共振，改善N V H水平。
关键词：柴油发动机;N V H;C A E
中图分类号:T K428 文献标识码:A 文章编号：1672-545X( 2021 )03-0156-04
〇刖5
中国近年来，随着重型卡车技术水平的突飞猛 进，以及道路条件的不断完善，越来越多的商用车辆 选择在高速公路上运送货物。然而部分车辆在常用 车速行驶时，会出现明显的整车抖动问题。在长途行 车的过程中，这种异常抖动一方面加剧了驾驶员的 身体疲劳，造成腰肌劳损，令一方面分散驾驶员注意 力，
存在安全隐患|1]。同时随着人们生活水平逐渐提 高，对于驾乘舒适性也提出了更高的要求，尤其是卡 车司机体呈现年轻化趋势，良好的驾驶体验，也成 为了各个汽车厂产品竞争力的体现，各家商用车企，均在N V H方面投入了大家的研究工作，发动机作为 整车主要的振动噪声来源，动力总成的N V H开发，也成为整车开发的重点工作。现如今仿真技术的不 断成熟，可代替部分汽车试验，但是仍与实际试验有 部分差异。同时结合仿真与实际试验，进一步完善试 验步骤，缩小差异，仍需深人了解[\
作者针对某款柴油机配套整车，在1300 ~
1 400 r/min转速下出现整车共振和车内轰鸣问题，进行原因分析并提出优化设计方案，基于C A E仿真 分析评估优化方案对于发动机及动力总成固有频率 的影响，进而判断优化设计对于整车N V H改进效 果，结果表明对于发动机N V H开发，不单单要考虑 零件本身的固有频率，还需要把整个动力总成看成 整体进行优化设计，提升动力总成的固有频率，避免 在发动机常用转速区域产生共振问题。1问题描述
某款9L柴油发动机，配套某客车车型时，接到 市场反馈，在I 300 ~ 1 400 r/min转速下出现整车共 振和车内轰鸣问题，驾驶体验差，用户不能接受。发 动机厂家技术人员现场进行处理，采取调整发动机 电控数据，采取不同刚度的悬置软垫验证法131等一系 列措施，均无法排除问题。
安排振动测试，如图1频谱图可见，在约1300 ~ I 400 r/min时前、后排出现异响，且都表现为3阶 次，对应共振频率65 ~ 70 H z。
Frequency
图1车内矂声频谱
如图2所示，实测1 300 ~ 1 400 r/min空调压缩 机支架振动加速度突变(3阶次），初步怀疑，本次问 题是由于空调机支架共振引起的。
收稿日期：2020-丨2-18
作者简介：李壮（1984-)，男，吉林长春人，本科，工程师，研究方向：内燃机结构设计等。156
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
r/min
图2
空调机支架振动加速度测试结果
2 C A E 仿真分析
本次分析采用三维C A E 软件（A B A Q U S )，做发 动机空调机支架及发动机动力总成模态分析计算。
通过C A E 仿真分析研究，可以对设计方案进行 初步判定，空调机支架及相关优化设计方案分析，确 定采用什么样的优化方案。
2.1计算模型
如图3，发动机动力总成模型主要包含空调机支 架丨、空调机2、气缸盖3、气缸体4、曲轴箱5、飞轮壳 6及变速箱7。
图
3
发动机动力总成
2.2计算边界
如图4，有限元模型中的零件包括空调机支架、 气缸体、气缸盖、曲轴箱、飞轮壳和变速箱。网格划分 采用SimLab 软件，零件均采用C 3D 10M 单元，计算 模型的自由模态。
h 二 : 一
图
4
计算网格模型
王要计算参数详见表1。
表1材料参数
主要零部件材料
重量空调机
48kg
空调机支架QT 450张紧轮支架QT 450—气缸体HT 250曲轴箱RuT 340气缸盖HuT 450飞轮壳
QT 450一
变速箱铸铝258.3kg 发动机重量
-
950kg
2.3计算结果与分析
通过C A E 仿真计算，如图5、图6所示，空调机 支前两阶模态频率分别为102.6 H z 和121.6 H z ，远 离共振频率65 ~ 70 H z 。因此判断此次问题不是空 调机支架发生共振引起，可以判断初步评估的结论 不正确。
空调机支加架前后弯曲模态102.6Hz
()DB ：MFYA -YT -6MK 9-6DS -148_190708GL .〇db
Abaqus /Standard 6.12-3 M on J u J 08 15:44:48 GMT +08:00 2019Step ： Step-1► j^IV lode 3:Value =4.15788E +05 Freq =102.63 (cydes /lime )Primary Var : U,Magnitude
r )p f n r n n l p V a r -I ! D e f n n n a t i n n S r a l p F a r t o r :+2,22e +f i ?._____________：
图
5
空压机前后弯曲模态计算结果
空调机支架上下弯曲模态丨21.6H/.
0DB :MFYA -YT -6MK 9-6DS -148_190708GL .〇db
Abaqus /Standard 6.12-3 Mon Jul 08 15:44:48 GMT +08.00 2019Step ： S tep-1
Mode 4:Value=5.83239E+05 Freq=121.55 (cydes/time) Priman' Var ： U,Magnitude
Delonnde Var：U Defonnulion Scale Faclor:+2.22e+02
图
6
空压机前后弯曲模态计算结果
架支机箱壳器
调
速轮速
空变飞缓+-0-M (
c r J z c e ()9;p 2(a S B ,
157
如图7、图8所示，前两阶动力总成弯曲模态，频 率分别为62.9 Hz和70.1 H z，与共振转速对应频率 65 ~ 70 Hz接近。因此判断共振轰鸣原因是由动力 总成这两阶弯曲模态导致。
U, Magnitud
U.66
(>.4。
D.40
-0.33
D.20
0.14
[).〇7
D.O I
动力总成左右弯曲模态65.08HZ
0DB:6MK-flk.odb Abaqus/Standard6.12-3 Thu Aug 15
17:17:12 GMT+08：00 2019___________
Step ： Step-1
Mode l:Value=1.16722E+05 Freq=65.083 (cydes/time
Primary Var:U,Magnitude
Deformde Var：U Deformation Scale Factor:+2.22e-f-Q2
图7动力总成左右弯曲模态
动力总成上下弯曲模态70.1H z
ODB:MFTA-YT-6MK9-6DS-148_190708GLodb
Abaqus/Standard6.12-3 Mon Jul 08 15:44:48 GMT+08:00 2019
Step： Step-1
► ^Mode 2:Value=1.93920E+05 Freq=70.086 (cydes/time)
Primary Var： U,Magnitude
D pfnrniflp V^r-I l D p fn rm atin n S r a le F artn r'-f-? 79^4-09
图8动力总成上下弯曲模态
2.4优化设计与分析
如图9为优化设计方案，飞轮壳与曲轴箱增加 连接板，提高动力总成的刚性，预期提升模态。
改进方案计算结果：
如图10、图11所示，前两阶模态动力总成弯曲 模态，频率分别为65.08 Hz和81.7 H z，相对原始方 案，
模态频率提高了 2.18 Hz和丨1.6 H z，左右弯曲模 态改善有限，但是上下弯曲模态改善明显，超过 1 300 ~ 1 400 r/m in转速对应的共振频率，需跟进后 续试验验证情况。
飞轮壳连接板支架
图9优化方案
U, Magnitude
■丨.18
0DB:6MK-flk.odb Abaqus/Standard6.12-3 Thu Aug 15
17-1717r：MT-4-Q« 〇n901Q_________________________________
y、Step: Step-1
V lode l:Value=1.67221E+05 Freq=65.083 (cydes/time)
Primary Var： U,Magnitude
Peformde Var；U Deformation Scale Factor:+2.22e+02
图10优化后动力总成左右弯曲模态
动力总成上下弯曲模态81.70H z
0DB:6MK-flk.odh Abaqus/Standard6.12-3 Thu Aug 15
17:17:12 GMT+08:0Q 2019_______________________
5tep ： Step-1
^iode 2:Value=2.63481E+05 Freq=81.695 (cydes/time)
Primary Var： U,Magnitude
3eformde Var：U Defonnation Scale Factor:+2.22e+02
图11优化后动力总成上下弯曲模态
3结论
通过C A E仿真分析，可以得到结论：
(1)虽然振动测试表明，空调机支架存在三阶共 振现象，但是经CA E分析，空调机支架固有频率，远
158
高于共振频率，因此测试结果，仅表明实测情况，无
法判定空调机支架为真实振动源。
(2) 动力总成弯曲模态计算结果，频率与共振转 速对应频率65 ~ 70 Hz接近，因此判断共振轰鸣原
因是由动力总成这两阶弯曲模态导致。优化方案整
玉柴发动机改有一定提升效果，可以降低共振风险的发生。
(3) 空调机支架位于动力总成前端，虽然并未发 生共振，但是动力总成如果发生共振，前后端变形可
能是最大的，因此可以解释，为什么空调机支架在实
测时振幅最大。(4)结果表明对于发动机N V H开发，不单单要
考虑零件本身的固有频率，还需要把整个动力总成
看成整体进行优化设计，达成降低整机振动的目的。
参考文献：
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应用[J]•噪声与振动控制,2013,6(33): 100-105.
Research on Engine Resonance Based on CAE Analysis
LI Zhuang
(Guangxi Yuchai Machinery Group Co.,Ltd.,Nanning 530007, China)
A bstract：In order t o solve the problem of excessive vibration of diesel engine,analysis of the natural frequency of the engine parts and mounting bracket i s needed,At the same time,the analysis the influence of natural frequency of the whole engine assembly in the process of engine operation i s needed too,uses C A E software t o calculate and analyze several design schemes.The calculation results show that changing the design structure of the whole engine can improve the natural frequency of the powertrain,avoid the resonance in the process of common engine speed operation,and improve the N V H level.
K ey words:Diesel;N V H;C A E
(上接第152页）
Research on Cooling Performance Improvement of a Commercial Vehicle Based on CFD LAI Fan1,F E N G Z h e M A N G Rong-jiang2,T A N G Jing-tian2,W A N G Qing-qing2
(l.Dongfeng Liuzhou Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545000, China;
2.Guilin University Of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541000, China)
Abstract：In order t o improve the cooling performance of a commercial vehicle,the numerical simulation method i s used to analyze the flow field and temperature f i e l d in the engine compartment.According t o the simulation results of the flow field and temperature field,the location of the heat return in the engine room and the cause of the High temperature heat damage in the engine room are determined,combined with the layout of the entire engine room,a thicker water tank,optimized air flow channel and in the frame are proposed.And the improved scheme of adding a windshield t o the l e f t front of the engine room,and matching analysis t o obtain the optimal combination scheme. The simulation results show that the combination of thickening the water tank,shifting the engine back and adding baffles in the frame effectively reduces the heat recirculation phenomenon,and the radiator cooling constant K value i s reduced by 10.4T!compared with the original machine,which effectively improves the heat dissipation of the engine compartment surroundings.
K ey w ords：C F D;engine compartment;flow field;temperature field;heat dissipation
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