涡轮增压执行器支架振动分析及设计改进

吴元杰

摘 要：在有限的空间范围内，设计一款合适的支架连接涡轮增压执行器和涡轮壳。为降低支架在使用过程中断裂风险，在设计验证阶段，运用振动模态分析软件对整个模块进行预先模拟实验。根据模态分析结果优化支架设计，满足模块设计需求。

关键词：支架;模块设计;振动;模态分析

执行器连接涡轮增压器排气阀，它执行排气阀的开合来控制增压器进气量，并起到保护涡轮增压器的作用。执行器在控制涡轮增压器正常运转与保障其使用寿命起到至关重要的作用。为保障执行器能够以最佳状态运行，执行器的固定位置和固定方式是两个重要的因素。

目前执行器的固定位置有涡端固定和压端固定两种，固定方式有支架式固定和铸件集成式固定两类。

就执行器固定位置而言，如果增压器排气阀在涡端，将执行器固定在涡端附近，这样能有效地避免振动带来的零件疲劳破坏。但是涡端靠近发动机出气端，工况恶略，空间局促。柴油机涡端进气温度大约在750℃，周围温度接近500-600℃。汽油机涡端进气温度大约在950℃，周围温度接近700-800℃。执行器工作需要远离热源，继而振动带来的疲劳失效风险增大。通常我们设计执行器固定位置，选择将其布置在涡轮增压器的压端。压端远离热源，热负荷小，符合执行器工况需求。考虑振动可能带来的疲劳失效，支架式固定和铸件集成式固定执行器都会尽可能靠近压气壳。

铸件集成式固定是将执行器的支撑结构集成到压气壳铸件的浇注中。浇注式结构与压气壳集成，有效地减少不同零件及零件与紧固件之间的振动，对降低共振和疲劳失效有很大的帮助。但是由于浇注支架在壳体远端，为防止缩孔缩松现象发生，在模具型腔中需另加浇口和冒口，需要增加更多的铸件材料。另外，执行器的紧固方式都是螺钉紧固，需要增加机加工端面、钻孔、攻螺纹等加工工艺才能满足执行器安装紧固。相比之下，通过钣金冲压的支架连接压气壳和执行器，能降低铸造难度、减少铸件材料、减少加工工艺步骤、提升产品合格率，特别是大批量生产，能显著降低产品成本。出于上述因素考虑，通常我们选择支架式紧固方式固定执行器。

执行器固定位置和固定方式确定后，需要考虑执行器与壳体之间连接过度方式。在满足安装和正常运转的前提下，避开发动机点火频率。根据公式，点火频率（f）= 每分钟转速（rpm）/60*缸数（N）/2。

早前由于设计软件功能限制，设计工程师只能根据经验来设计支架，通过加厚、翻边等方式提高一阶固有频率。产品设计结束后，交由CAE工程師在ANSYS中进行有限元分析。然后加工生产出产品，再进行产品疲劳试验，该阶段周期长，失效种类多，针对性的解决问题比较困难。现如今部分有限元分析模块已集成到设计软件中，在保证计算精度的情况下，达到CAD和CAE模块转换的无缝对接。设计工程师在完成支架设计后即可对其进行模拟及优化，分析其在执行器负载下的一阶固有频率。

本文利用CATIA设计软件中的创成式结构分析模块（GPS）对执行器支架进行应力及振动频率分析，为优化执行器支架设计，降低制造成本提供理论依据。

1 模态分析基本理论

由振动理论得知：一个线性振动系统，按自身某一阶固有频率作自由谐振时，整个系统将具有确定的振动形态（简称振型或模态）。模态是工程结构的固有振动特性，每一个零件或系统的模态具有特定参数，即固有频率、阻尼比和模态振型等。此外，基于线性叠加原理，一个复杂的振动还可以分解为许多的模态叠加。一般地，以振动理论为基础、以模态参数为目标地分析方法，称为模态分析。模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门科学。

模态分析是指上述一种坐标的线性变换，将振动系统以物理坐标和物理参数所描述的、互相耦合的运动方程组，能够变为一组彼此独立的方程，每个独立方程只含一个独立的模态坐标;前者遵守牛顿定律，后者遵守能量守恒定律。变换的目的是为了接触方程的耦合，便于求解。由于坐标变换是线性变换，因而系统在原有物理坐标系中，都有任意激励的响应，便可视为系统各阶模态的线性组合。模态分析的主要优点在于，它能用较少的运动方程或自由度数，直观、简明且十分精确的反应一个比较复杂结构系统的动态特性，从而大大减少测量、分析及计算的工作量。

2 支架基本结构和材料参数

本文以设计涡轮增压执行器支架为例，执行器支架为冲压式钣金支架，固定在压端位置。在执行器与压气壳空间坐标已确定的情况下，方案1采用3mm单次折弯结构设计执行器支架。支架材料参数属性见表1。

3 支架三维模型创建和模态分析

本文利用CATIA设计软件建立支架模型，根据执行器的空间位置，将重心输入到支架三维模型中。执行器重量为0.4402kg，重心位置见图1。

3.1网格划分

本文利用CATIA创成式结构分析模块（GPS）创建网格。对于结构较为简单的模型，一般选择10节点4面体单元进行网格划分。网格大小数值为1.5mm，共产生4754个单元，9085个节点，划分结果见图2。

3.2 施加载荷和约束

模态分析的目的就是在负载情况下，通过计算，模拟出零件的形变情况。有限元分析中载荷、约束必须和物理模型中保持一致。图1中白色点即为执行器物理模型重心，此处模拟为执行去振动原点。执行器穿过支架三个通孔用螺栓拧紧，三通孔与执行器接触的锐边可作为三个载荷承受点。支架另一端与压气壳是腰型孔连接，螺栓在腰型孔间任意位置安装，约束时选择最坏情况-螺栓紧贴同侧腰型孔。完成负载和约束结果如图3。

3.3 模态分析结果

通过GPS模块对模态振动的效果进行仿真，只考虑有效的图像化显示的高应力和位移区域。如图4所示，执行器支架一阶固有频率为172Hz。根据客户提供信息，发动机为四缸两冲程，最高转速为5200rpm。根据公式计算发动机固有频率为174Hz。执行器支架一阶固有频率低于发动机点火频率，产生共振风险较大，需优化设计。

4 支架设计变更

如图4所示，执行器支架在双腰型孔处位移偏移量较大，且支架一阶固有频率略低于发动机点火频率，容易产生疲劳断裂。点火频率是发动机固有频率的最高值，为避免支架产生共振，建议将支架一阶固有频率控制在点火频率的120%以上。根据经验，提出三种设计变更方案，如图5所示。

方案2：支架整体壁厚增加1.0毫米;支架的刚性是由材料本身决定的，提升支架刚性最直接有效的方式就是增加支架的厚度。

方案3：在支架安装孔中间增加加强筋;支架的震源来自于紧固螺栓，振动延螺栓方向垂直于支架平面，在螺栓安装孔中添加加强筋，施加一个斜向上的力，有效地中和螺栓方向上的振动，提升支架刚性。

方案4：在支架两端增加翻边，翻边高度10.0毫米;与方案3相似，更好地中和两端螺栓的振动，如图5所示。翻边方向为反向平行于螺栓安装方向和垂直于螺栓安装方向。施加一个反方向的力和垂直于作用面的力，中和振动。提升支架刚性。

将如上三种方案再次进行模态分析。三种方案一阶频率均达到设计要求。仿真结果如图6所示。

5 成本比较及最终方案确定

使用模态分析方法，将上述三种方案进行振动频率分析。将分析数据和方案基本参数总结成表，如表2所示。

方案1：满足连接执行器和压壳最基本要求，但是该方案一阶固有频率低于发动机点火频率。发动机点火阶段支架与发动机产生共振，影响支架工作寿命。

方案2：在方案1的基础上，零件厚度增加1毫米，一阶固有频率显著提升。但支架质量增加明显。

方案3：在方案1的基础上增加鼓包，一阶固有频率有所提升，满足设计需求。

方案4：在方案1的基础上添加最小折边，一阶固有频率大幅提升。因尽可能控制轻量化设计，折弯处离本体较近，折弯角度小。冲压模具制造成本增加。

在满足设计需求的前提需求下，尽可能使用轻量化设计降低生产制造成本。结合表2对比结果，最终确定方案为：方案3

6 总结和后續工作

本文使用CATIA设计软件创建支架三维模型，使用设计软件自带创成式结构分析模块（GPS）进行模态分析，根据模态分析结果进行执行器支架设计变更，优化设计方案。本方法可使用在产品设计评定之前的任何阶段，而且可由设计人员独立完成。可大大缩短设计评定周期，加快项目研发进程。

参考文献：

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

[2]田生，杨国旗，杨迪等.涡轮增压器支架降本优化分析. 现代零部件，2012年第5期.