发动机齿轮室盖板有限元模态分析

李小泉

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德067000)

发动机齿轮室盖板有限元模态分析

李小泉

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德067000)

针对发动机齿轮室结构，采用有限元分析方法，分析齿轮室的各谐次模态，给出齿轮室各谐次固有模态频率结果。在此基础上对齿轮室结构进行优化分析，进而改善固有频率，降低整机噪声。

齿轮室;有限元;模态分析;优化

根据发动机NVH优化方案，需要对该齿轮室盖板进行结构优化，以改善其固有频率，为整机降噪提供贡献。计算分析齿轮室的各谐次模态，给出齿轮室盖板各谐次固有模态频率结果的基础上对其进行优化分析［1-3］。

1　计算模型和边界条件

1．1计算模型

本计算针对发动机齿轮室盖板进行优化分析，在Hypermesh里面抽取中面划分网格、设定材料属性、施加边界条件，然后利用其优化模块进行优化计算。其网格模型图及约束情况见图1，计算模型单元数和节点数见表1，分析中各零件的材料特性见表2。

表1　计算模型单元数和节点数

1．2边界条件

由于模态计算不考虑受力情况，所以只考虑齿轮室盖板的约束即可。

表2　分析中各零件的材料特性

2　优化计算约束、载荷情况

根据实际情况，对齿轮室盖板约束其与机体相连端面的螺孔所有自由度，见图1。

3　初始模态及优化计算结果

图2～图4为一阶级到五阶级原模型与优化模型的比较云图。

图5为原齿轮室盖板试验数据分析图，由图5可见，前端测点2的噪声最高频率为1 600 Hz频带(1 400～1 800 Hz)，1 m声压级达到了95．7 dB，其次在1 000 Hz频带(900～1 120 Hz)1 m声压级为93．1 dB。

由于齿轮室盖板两侧面的空间非常有限，外面要安装张紧轮、皮带，里面是齿轮部件，其本身设计空间只有4 mm左右，故通过提高筋的厚度来提高固有频率在模型中不可取，只能采取加宽筋的措施来提高固有频率。但如果加宽太多，则使得齿轮室盖板制造材料增加，增加了成本，不利于降成本，所以只好在其一阶次频率振型最大的部位加宽筋，如图6所示。

齿轮室盖板优化前后各阶频率，如图2、图3、图4所示，其中2阶和4阶由于篇幅有限省略，由表3可见，优化后齿轮室盖板的一阶次频率由835．5 Hz变为到851．98 Hz。其余阶次均有提高。最好的方式是对筋进行加厚，但是由于安装空间的限制，无法实现，所以只好采取加宽筋的方式，但加宽筋效果不太好，且使得模型制造的材料增加很多，很不利于降成本。

表3　原模型、优化模型各阶次频率比较(单位:Hz)

如果非要提高其固有频率，可以在图6所示的部位将该筋加宽到与孔相连的部位。

4　不同约束对结果的影响

现将原模型约束改为对整个结合面进行约束，此时不再约束螺孔里面的节点自由度，以进行对比计算，约束如图7所示。约束改变后原模型的前5阶次模态计算结果如图8～图12所示。

表4　原模型、改变约束原模型各阶次频率比较(单位:Hz)

根据图8～图12计算结果，由表4可见，通过对比计算发现，对于该齿轮室盖板，约束上紧螺孔位移与约束结合面结果相差不大，如一阶次模态分别为835．5 Hz和838．5 Hz，都在计算误差范围内。

5　结论

本研究在分析了齿轮室盖板的各谐次模态，给出齿轮室盖板各谐次固有模态频率结果的基础上对其进行优化分析。分析可知:

1)原模型两侧的安装空间不允许对筋加厚，只能对筋进行加快宽来实现固有频率的提高，如图6(b)所示。

2)在原一阶次最大振型处加宽筋厚，其固有频率的提高效果并不明显，只提高了10 Hz，但是却使得制造材料增加，表明优化空间非常有限。

3)对于齿轮室盖板，约束上紧螺孔位移与约束结合面的一阶次频率结果很接近。

［1］傅志方，华宏星［著］．模态分析理论与应用［M］．上海:上海交通大学出版社，2000．

［2］胡志胜，李波．基于模态分析的发动机齿轮室盖优化设计［J］．汽车工程师，2011(7):59－61．

［3］李冰冰．“摩天环车”游艺机大臂的有限元分析［J］．承德石油高等专科学校学报，2014，16(2):17－19．

Modal Analysis of Engine Gear Chamber with FEM

LI Xiao-quan
(Department of Automotive Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

According to the structure of engine gear chamber，finite element method(FEM)was used to analyze various harmonic modes of the gear chamber and get the harmonic inherent frequencies．On the basis of this，the structure of engine gear chamber was optimized and analyzed to improve the inherent frequency and lower the noise．

gear chamber;FEM;modal analysis;optimization

TK422

B

1008-9446(2015)02-0050-05

2014-12-09

李小泉(1979－)，男，河北遵化人，承德石油高等专科学校汽车工程系，讲师，硕士，主要研究方向为内燃机制造工艺。