汽车空气滤清器的结构分析及优化

佘振成

摘 要：本文主要针对现下汽车部件中空气滤清器结构，通过运用HYPERMESH软件来构建有限元模型及对模型进行全面研究，从而获得汽车空气滤清器结构模态数值以及刚度数值，并结合相应的对比分析结果，提出了有效的优化策略，供相关人员参考借鉴。

关键词：汽车空气滤清器;结构分析;优化探讨

空气滤清器是汽车进气系统的一个重要部件，它的用途是清除空气中的微粒杂质，给发动机提供纯净的空气。空气滤清器容易受到进气系统中高速气流以及发动机外部激励的影响，另外通常情况下被设计成薄壁壳体形状，导致容易产生辐射噪声壳体噪声大小与壳体固有频率息息相关，如果发动机激励频率和壳体固有频率相接近会产生共振，并且辐射噪声会变大。

1 汽车空气滤清器有限元模型的建立

1.1几何清理

为了便于汽车空气滤清器有限元模型的建立，相关技术人员在采用HYPERMESH软件时，应该将其划分成若干均等的网格，并将那些在三维实体中一些不必要的小线、小面直接去除掉，进而缩短工作人员对模型的计算时间，减少其设计成本。此外，在对汽车空气滤清器有限元模型进行模态分析时，可以直接省去对空气滤清器内部滤芯影响的分析。

1.2网格划分

汽车空气滤清器有限元模型的建立，一般是在三维建模软件CATIA中建立，并可直接将有限元模型保存为中间格式，以便可以有效引入HYPERMESH软件，对模型进行网格划分。通常HYPERMESH软件可以结合有限元模型结构划分为1.5mm标准的网格模块，然后还要对这些模块质量进行全面的检测，若发现与预期标准不符的问题，则要先采取优化措施加以及时的调整，完全合格后才能生成实体单元。此外，还要利用焊点方式对空气滤清器的上下壳体进行有效连接，以便使其形成一个含有约320000多个节点和590000多个单元的整体网格结构。

2 汽车空气滤清器模态分析要求及结果

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每个模态具有特定的固有频率、模态振型和阻尼比。对于文中的空气滤清器壳体，忽略阻尼。在一个振动系统中，对系统影响最大的是低阶模态，所以在进行模态分析时，通常只考虑空气滤清器的前4阶模态的固有频率和振型。

空气滤清器一般安装在汽车发动机的进气系统上，当发动机处于运行状态时，空气滤清器系统就会产生相应的振动反应。一般情况下，当汽车发动机处于一阶模态时，其会导致空气滤清器发出一定的噪音，而为了控制滤清器与发动机外部激励产生共振、噪声及破坏等不良情况，相关设计人员在对空气滤清器结构进行设计时，就要严格按照出厂厂家标准，对发动机一阶模态值进行相应的调整，尽可能使其大于发动机的点火频率。另外，汽车空气滤清器模态值还会随着外界气温温度的变化而发生相应的改变，通常情况下，空气滤清器壳体模态要低于外界温度5%-10%。以某四缸汽车空气滤清器为例，当发动机处于一阶模态时，其壳体模态值基准应以275Hz为主，若是将HYPERMESH网格数据导入NASTRAN软件进行模态分析求解，则最终的求解结果与所呈现的各缸体模态值相比，其一阶模态值要低于基准值很多。

3 汽车空气滤清器结构体积刚度分析及结果

当汽车滤清器在正常运行阶段时，其系统内部会因为气体压力的影响而出现滤清器变形量过大或者损坏等严重现象。如若按照出厂厂家标准，对其系统内的气体压力加载到l04Pa时，则汽车空气滤清器结构体积刚度必须处于3x10-3

cm3/Pa范围内，这样才能避免系统内部结构发生变形或损坏现象，反之，若是大于这个基准数值，则变形程度就会十分明显，空气滤清器结构体积刚度数值变化的前后状态，当初始空滤空腔体积为8263cm3时，若是气体压力加载到l04Pa，则压强后的空滤空腔体积就变化为8320cm3，而体积刚度也可利用公式（8320-8263）/105=5.7x10-3cm3/Pa来计算，由结果可得知该滤清器系统质量出现很大的问题，属于不合格产品。

4 汽车空气滤清器结构优化

根据上述分析结果，可以看出，若是汽车空气滤清器结构不符合相关设计标准时，则为了使其可以延长使用寿命，提升相应的应用功能，相关设计人员和技术人员就要对其整体结构设计进行全面的优化，具体优化措施有3种：①改善空气滤清器的材料质量，使之有原有的PP+TD20材料转化成PP+GF30材料，或者将PP+TD20材料替换成PP+TD40材料;②在改变滤清器材质的基础上，还要增设两个安装点，尽量将其设计在空滤器的两侧;③在将原有系统材料替换成新的材质后，还要对滤清器下体部位的壁厚进行合理调整，尽量结合实际情况来进行。据相关实践证明，经过这3种优化措施而成的汽车空气滤清器系统，不仅性能稳定，而且结构体积刚度与模态数值都能够与相应的设计规范要求相吻合，大大提升了汽车行驶的速率和安全性。

5 结论

①针对空气滤清器在工作中易发生振动和噪声的问题，对空气滤清器进行了模态分析。使用HYPERMESH进行优化设计，可以降低设计的盲目性，缩短产品开发的周期和成本，为产品开发提供可靠的依据。

②利用HAPERMESH建立空气滤清器的有限元模型，通过模态分析，得到了空气滤清器的模态情况和振型分布，同时对它的体积刚度进行分析，发现不符合企业设计规范中关于1阶固有频率和体积刚度的要求。接着通过改变壳体材料，增加安装点，增加壳体厚度等进行了结构优化。

结语

綜上所述，在汽车发动机进气系统中，空气滤清器是其最关键的组成元件，必须重视滤清器结构设计的合理性、标准性以及规范性，这样才能达到预期效果，提高汽车的运行性能。

参考文献

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