模态分析在发动机耐久试验中的应用

杨超，尹东升，范宝庆，李日成，吴鹏



模态分析在发动机耐久试验中的应用

杨超，尹东升，范宝庆，李日成，吴鹏

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

模态试验是解决NVH问题的一种常用的试验分析方法，通过数采设备来测出物体的模态来进行分析物体的固有频率、阻尼等。文章以某发动机在耐久试验考核中频繁发生机油尺支架断裂的故障为案例，阐述了如何通过模态试验来解决NVH实际问题的思路和方法。

发动机；模态；耐久；试验

引言

随着汽车行业如火如荼的发展，人们生活水平的不断提高，客户不单单关注汽车的动力性和经济性，而越来越追求整车的舒适度。作为汽车的动力输出源-发动机，它的NVH性能很大程度上决定了整车NVH性能的好坏。

所以，在一款发动机的研发初期和后续试验过程中，发动机的NVH性能都是必须要考虑的。而模态试验分析方法，则是解决NVH问题一种常用的试验分析方法，它可以帮助我们了解产品发生问题的根源，而采取方法和措施从根本上去解决问题。

模态，顾名思义，就是物体的模型状态。模态主要是指物体的固有频率、阻尼等等，他是物体本身的一个固有属性，一旦一样东西的材料和形状固定了，它的模态也相应固定了。模态试验主要是指通过试验设备测出被测件的模态，进行分析，找出问题点，然后针对问题采取对应方法和措施，进行整改。模态分析是一种方法，是一种手段，会给我们在解决NVH问题中指明方向。近期DAE某款发动机在耐久试验考核中频繁发生机油尺支架断裂故障，观察发现机油尺支架在一定转速下抖动严重。通过模态试验分析，发现了是机油尺支架强度不够、固有频率过小所致。

1 本文的研究意义和内容

1.1 本文的研究意义

进行模态分析的首要条件是进行模态试验，测出被测件的模态。本文针对DAE某款发动机在耐久试验考核中，连续三次频繁发生机油尺支架断裂这个问题，进行两轮振动排查试验以及机油尺支架模态试验。振动测点为摇臂室罩、缸体、进气歧管、机油尺支架，试验工况按照台架标准试验工况进行。经排查，发动机振动正常，目标锁定为机油尺支架本身，通过力锤敲击模态试验之后，发现支架本身模态刚度不够，为后续采取方案整改提供了依据和方向。

图1 摇臂室罩

图2 进气歧管

图3 缸体

图4 机油尺支架

图5 自由模态

图6 约束模态

1.2 本文的主要研究内容

发生机油尺断裂的发动机在180h耐久试验考核中，发动机在稳定6000rpm工况时机油尺固定支架相继断裂3个。为确认是否为发动机振动原因导致，首先进行第一轮发动机振动试验进行排查。通过试验结果确认故障非发动机本身振动所致，机油尺支架依然断裂。后对机油尺支架进行振动试验，确定支架本身问题导致。最后做机油尺支架的自由模态及约束模态试验，发现机油尺固有频率小于发动机在6000rpm时的二阶激励的频率，在发动机耐久试验中，机油尺支架长时间处于共振的转速下，导致支架频繁断裂。

2 发动机机油尺断裂模态分析试验

2.1 第一轮振动试验

第一轮振动试验为故障排查试验，测点为摇臂室罩、缸体、进气歧管。工况按照台架振动试验标准进行。试验结果如下：

图7 摇臂室罩振动colormap

图8 缸体振动colormap

图9 进气歧管振动colormap

从colormap图上可以看出，发动机振动还是比较平稳且无明显共振带，所以可判断发动机本身振动并不是导致机油尺断裂的原因。

2.2 第二轮振动试验

由于第一轮试验时，机油尺仍处在断裂状态下，所以怀疑是机油尺支架本身的原因，所以第二轮试验安装上新的机油尺进行试验。

图10 机油尺支架振动colormap（X向）

图11 机油尺支架振动colormap（Y向）

图12 机油尺支架振动colormap（Z向）

图13 机油尺支架2阶振动曲线

从colormap图上可以看出，在支架的x、y、z三个方向都在182Hz出现共振，提取三个方向的2阶曲线，更直观看出在5460rpm时，三个方向同时存在最大峰值，所以判定机油尺断裂的原因是因为支架的共振引起局部应力过大，不满足耐久条件导致。

2.3 机油尺支架自由与约束模态测试

由于机油尺支架的x、y、z三个方向都在182Hz出现共振，故对机油尺支架做模态试验进一步分析：

图14 机油尺支架自由模态频响曲线

图15 机油尺支架约束模态频响曲线

通过对机油尺支架自由、约束模态测试结果，验证了机油尺支架确实存在刚性不足的问题，在自由模态下，支架的一阶模态为221Hz，但在约束模态下，其一阶仅为176Hz，该频率对应发动机二阶转速为5300rpm，在高转速耐久工况下，极容易引起共振达到最大应力，导致断裂。

2.4 整改建议

通过试验的验证与分析，显然此发动机没有对机油尺支架的性能条件加以控制，对NVH而言，机油尺支架尽量向上避频，至少要超过6000rpm以上时的发动机2阶激励频率；在耐久考核方面，此类支架的峰值振动要超过20g≈200m/s²。从模态测试数据中分析，更能确定其支架的刚性不足，在约束模态下，样件的一阶频率仅为176Hz，导致发动机在5200rpm~5500rpm之间极易引起支架共振。而在发动机耐久试验考核标准里，5200rpm~5500rpm是必须要考核的转速范围，所以这就导致了发动机机油尺支架频繁的断裂。另外，此支架仅在x和z方向只有85、147m/s²，应当加强。

按以往NVH性能经验，机油尺安装支架的约束模态要求超过240Hz，CAE部门通过计算，给出支架改进方案，通过倒角翻边修改，支架强度加强，频率提高。模型如下图所示：

图16 机油尺支架整改前

图17 机油尺支架整改后

经过更改支架，频率提高到238Hz，大于200Hz，不会产生共振风险。CAE又计算通过加载20g加速度载荷，改进后的支架应力分布明显好于原支架，对抗共振断裂能力有所提高。

图18 机油尺支架原模型

图19 机油尺支架改进模型

3 总结与展望

3.1 总结

本文首先提出了模态试验分析是解决NVH问题的一种常用方法，接着以DAE某发动机在耐久试验考核频繁发生机油尺支架断裂故障为案例，阐述了以模态试验方法为基础，从发现问题、分析问题、解决问题的方法和思路。

3.2 展望

模态一直是NVH领域里一个重要的课题，在产品初期研发，中间试验验证以及后续解决问题中，它都会起着举足轻重的作用。模态试验本身并不复杂，重要的是解决问题的思路和方法。作为一名试验技术员，我们不仅应当积累每一次试验的经验，更应该拓展自己的思路，做到善于发现问题，找到问题的根本。同时，我们也可多将NVH试验问题与CAE相结合，二者相辅相成，不但能拓展思路更能相互验证。任重道远，学海无涯，我们要一直秉承不断学习的精神，去迎接更多的挑战。

Modal analysis of engine durability test

Yang Chao, Yin Dongsheng, Fan Baoqing, Li Richeng, Wu Peng

（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

Modal test is a common test analysis solutions to NVH problems through data acquisition equipment to measure the modal object to analyze objects natural frequency and damping. Taking a frequent engine oil dipstick stent fracture failure in an endurance test for the assessment of the case to explain how the ideas and methods to solve practical problems NVH through modal tests.

Engine;modal;durability;test

U464

B

1671-7988(2018)20-97-03

杨超，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心。

U464

B

1671-7988(2018)20-97-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.036