汽车发动机缸盖与排气歧管装配体的模态分析

孙洪哲，李卫民，韩国辉

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）



汽车发动机缸盖与排气歧管装配体的模态分析

孙洪哲，李卫民，韩国辉

（辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001）

摘 要：发动机排气系统的密封决定着发动机性能，研究发动机的振动对密封性能的影响。应用ANSYS Workbench软件分析，对汽车发动机缸盖、排气歧管密封垫及排气歧管的装配体进行带有预应力的模态分析，得到该装配体的固有频率，并与发动机对外激振频率进行比较，进而判断两者之间不能发生共振现象。证明该因素不会影响发动机缸盖、密封垫片及排气歧管装配体的密封性能。

关键词：共振；预应力；模态分析；固有频率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.011

CLC NO.: TH128 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-35-02

引言

随着现代科技的不断提升，现代汽车也朝着小型化，高功率的方向发展。为了提高汽车发动的工作效率，发动机缸盖与排气歧管的密封性能越发得到汽车生产单位的重视。良好的排气系统决定着发动机功率、扭矩、排放污染等，其前提就是可靠的排气密封系统[1-2]。由发动机缸盖、密封垫片及排气歧管组成的装配体的固有频率与发动机对外的激振频率之间是否发生共振也是影响排气密封性能的因素之一。一旦发生共振现象就会造成密封部位出现漏气现象，排气压力就会降低，使发动机输出功率降低，进而影响发动机的整体工作状态[3-4]。

本文通过有限元法，应用ANSYS Workbench分析软件，对某型号的发动机缸盖、密封垫片及排气歧管进行要有预应力的分析计算，从而得到该装配体的固有频率[5-6]。

1、模态分析理论

模态分析是动力学分析的基础，包括实验模态分析和计算模态分析两部分。在发动机外激励振动作用下，动力学问题遵循的平衡方程如下：

其中 [M]是质量矩阵，[C]是阻尼矩阵，[K]是刚度矩阵，[F(t)]是力矢量，[X]是位移矢量，[x']是速度矢量，[x'']是加速度矢量。

而模态分析问题是动力学经典的特征值问题，这里认为发动机歧管密封结构符合应用非比例多自由度的粘性阻尼系统，采用计算模态分析的方法[7]，该问题的运动方程为：

由于结构的自由振动为简谐振动，所以其位移为正弦函数即x=x sin( ω t)，将该正弦函数带入运动方程后得到该方程的特征值为开方后得到自振圆频率ωi，自振频率为

带有预应力的模态分析则在模态分析的基础上考虑载荷产生的应力对结构刚度的影响。

2、固有频率分析计算

2.1 装配体的结构模型

该装配体由发动机缸盖、密封垫片、排气歧管、螺柱、垫圈及螺母组成。将分析模型导入后，对各个零件进行材料赋值，并定义各零件间的接触对。由于模态分析属于线性分析，而ANSYS Workbench软件提供的5种接触类型中只有Bonded和No Separation为线性分析，所以根据接触情况将垫圈与螺柱之间以及排气歧管与螺柱之间的接触定义为No Separation，其余接触部分定义为Bonded。该装配体的结构模型图如图1所示。

图1　装配体的结构模型图

2.2 模型划分网格

模态分析为结构分析，可以采用软件提供的四面体网格和六面体网格进行划分，考虑到计算机的性能及分析计算的时间，网格类型采用四面体网格，网格大小的设定分为整体网格大小和密封接触面网格大小，分别设置为5mm和2mm，最终网格划分后的单元数为599394，节点数为939432。该结构模型的划分网格图如图2所示。

图2　结构网格划分图

2.3 施加载荷和约束

该型号的发动机缸盖、密封垫片及排气歧管通过M8的螺柱进行联接，施加在螺柱上的扭矩为35N·m。在进行施加载荷时，螺柱表面施加的是预紧力，所以应将扭矩转换为预紧力。根据预紧力与扭矩的关系：其中Ma为扭矩，Fv为预紧力，k为扭矩系数，d为螺柱直径，可得预紧力为其中d通过《机械设计手册》查询为0.1852，最终预紧力大小为23623.1102 N。施加预紧力后，在该装配体缸盖与缸体联接的位置施加固定全约束。

2.4 模型的分析计算

计算后的应力云图如图3所示。

图3　应力分布图

模态分析计算前5阶的结果如表1所示。

表1　前5阶固有频率数据表　单 位：Hz

3、发动机对外激振频率

该型号的发动机有4个缸室，点火顺序为1-3-2-4，曲轴最高转数每分钟转6000转，则该发动机每个工作循环曲轴需要转动2转，4个缸按点火顺序爆炸各一次，即发动机每转爆炸2次也就是振动2次。所以该发动机对外的激振频率为：

发动机一般工作在750-6000转之间，所以对外激振频率范围在25～200H之间。因此与通过对汽缸盖组合体的模态分析结果对比可知，其自身各阶次的固有频率均远大于由于发动机工作对其产生的激振频率。因此两者之间不会发生共振问题。

4、结束语

通过有限元法得到发动机缸盖、密封垫片及排气歧管装配体的前5阶固有频率，其中1阶固有频率最小为1040.7Hz，而经过计算得到的发动机对外最大激振频率为200Hz，因为1040.7Hz远大于200Hz，所以共振现象不会发生。从而证明发动机自身振动不会影响发动机缸盖、密封垫片及排气歧管装配体的密封性能。

参考文献

[1] 沈思博,黄瑞昌,李振华等.某型1.5升发动机排气歧管密封垫的优化.汽车实用技术,2015,2:39-41.

[2] 刘志恩,胡雅倩,颜伏伍,李党育.发动机排气歧管热模态分析及试验研究[J].汽车工程,2015,37(3):359-365.

[3] 李敏,杜鹃,沈宜辉.螺栓法兰接头紧固密封的研究展望[J].化工机械,2011,38(5):513-516.

[4] 马小波.法兰面密封出现泄漏的原因分析及对策[J].石油/化工通用机械,2011,1:76-78.

[5] 赵丹,艾延延,翟学,白彦.盘-盘螺栓连接结构模态频率分析[J].航空发动机,2012,38(5):55-57.

[6] 闵加丰,朱海清.基于ANSYS Workbench有螺栓预紧力的冲压法兰的有限元模态分析[J].锻压装备与制造技术,2012,1:69-71.

[7] 许本文,焦群英.机械振动与模态分析基础[M].机械工业出版社.1998,1.

The assembly of the automobile engine cylinder head and exhaust manifold of modal analysis

Sun Hongzhe, Li Weimin, Han Guohui
( Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001 )

Abstract:The sealing of the engine exhaust system determines the engine performance, and to study the effect of the vibration of the engine on the sealing performance.Application of ANSYS Workbench software on the automobile engine cylinder head, the exhaust manifold gasket and the exhaust manifold assembly with a prestressed modal analysis, get the inherent frequency of the assembly, and comparing with the engine external excitation frequency, and judge between cannot occur resonance phenomenon.Show that the factors will not affect the engine cylinder head, sealing gasket sealing performance and exhaust manifold assembly.

Keywords:resonance; prestress; modal analysis; inherent frequency

作者简介：孙洪哲，讲师，就职于辽宁工业大学，研究方向：现代数字化设计制造及机械可靠性工程。

中图分类号：TH128

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-35-02