车用动力总成模态优化研究

摘要：针对某车用动力总成试驗过程中发动机和变速器结合面渗油的情况，运用有限元模态分析和试验模态分析相结合的方法，研究动力总成的固有模态。结果表明，动力总成一阶模态只有176.1Hz，低于发动机最高转速下的点火激励频率，存在发动机运转过程中在某个转速点产生共振的风险。经过有限元模态分析一阶模态阵型，显示薄弱位置在缸体、油底壳与变速器的结合面处;通过对缸体和油底壳增加加强筋进行优化，使动力总成的一阶模态提高到240.2Hz，比优化前提升了36.4%，二阶模态也提升了22.5%。优化后的动力总成试验模态分析结果表明：该方案提高了动力总成固有模态。

Abstract： Aim the oil-leakage problem during the powertrain test， Combining finite element modal analysis with modal experiment， to study the vibration modes of powertrain. The result show， The first-order mode of the powertrain is only 176.1Hz， Lower than the ignition excitation frequency of the engine， have a risk of resonance. Through finite element modal analysis， find the first-order mode on the junction surface cylinder of the block、oil pan and transmission is lower; add the reinforcing bar on the cylinder block and oil pan， Improve the first-order mode of powertrain to 240.2Hz， increased by 36.4%， and second-order mode also increased by 22.5%. The optimized test modal shows that：the natural frequency of the powertrain increased.

关键词：固有模态;动力总成;频率;模态分析;模态测试

Key words： modal;powertrain;frequency;modal analysis;modal test

0  引言

动力总成作为汽车的关键零部件，为汽车提供源源不断的动力输出。动力总成在运转过程中由于激励产生的弯曲和扭转振动等动态特性对汽车的NVH及驾乘舒适性有着重要的影响，对动力总成进行模态分析是研究动力总成弯曲和扭转振动等特性的主要手段[1]。

一款增压直喷汽油发动机和自动变速器构成的动力总成，在试验过程中发现在高转速区域动力总成抖动明显，并且存在结合面漏油的问题，初步怀疑动力总成运行过程中产生共振[2-6]。本文通过有限元模态分析和试验模态分析相结合的方法对此动力总成的弯曲和扭转振动等动态特性进行分析研究，找出薄弱点并进行仿真优化及试验验证，提升动力总成模态，消除共振风险。

1  发动机激振频率

发动机运转时，混合气体在气缸内点火燃烧推动曲轴转动产生的转矩脉冲，在发动机持续运转时，此脉冲式周期性出现的，我们称其为点火激励，其是动力总成激励的主要来源[1]。对于点火间隔固定的多缸发动机，其点火脉冲频率可以由下式计算的到：

其中，f为激振频率;i为发动机气缸数;n为发动机转速;？子为发动机冲程数。

此次研究的发动机基本参数如表1所示。

由以上可以求得此发动机的点火脉冲频率为25Hz～176.7Hz，同时考虑10%的安全余量，我们要求动力总成的一阶模态大于200Hz。

2  动力总成试验模态分析

2.1 模态测试方法及数据分析

为了解该动力总成的固有模态，对动力总成进行了模态试验。试验系统主要有激励系统（激振器）和LMS振动测试系统组成。对于动力总成模态试验，理论上需要用测点将动力总成的外轮廓表示出来，通常至少要求8个测点组成一个长方体。本次测试为了使测量更加准确，在动力总成的表面共布置48个测点，其中发动机24个，变速器24个。测点按照能够充分反映动力总成的结构特点和便于布置传感器的原则进行位置分布，如图1所示。

由图1可知，动力总成的测点均布在发动机和变速器的外表面，能够很好的反映其结构特性。

对于动力总成的模态测试，如果采用1个激励点，在某些方向上产生的响应可能会非常小，因此本次采用2个激励点，分别布置在发动机油底壳和变速器上，这样能更好的将动力总成六个方向的刚体模态激发出来。试验时，用弹性绳悬吊动力总成，使其达到自由状态，同时把48个测点均布在动力总成上，搭建好的试验台架如图2所示。

2.2 模态测试结果

根据图2搭建好的台架进行动力总成的模态测试，结果如表2所示，图3为试验模态测试结果振型。

由表2可知，此动力总成的一阶模态为176.1Hz<200Hz，不满足设计要求。而动力总成在进行试验时，运行工况在是发动机的全转速范围内进行，由第一章节知道，发动机在最高转速点的点火脉冲频率为176.7Hz，大于动力总成的一阶模态，存在发动机运转过程中在某个转速点产生共振的风险。

由图3我们可以知道，动力总成一阶模态为弯曲振型，弯曲位置在发动机缸体和油底壳与变速器的结合面，即出现渗油的位置。

3  动力总成有限元模态优化分析

有限元分析可以通过计算机软件对数字模型进行计算分析，可以用最低的成本找出优化的方案，避免了在多种方案下制作样件进行试验分析造成的时间和成本的浪费。

3.1 动力总成有限元模态分析

考虑到动力总成结构的复杂性，结合有限元分析方法对模型进行简化处理。发动机部分留下缸体、缸盖、油底壳、前盖，去除发动机的其他附件采用质量点代替;变速器壳体部件保留，内部齿轮等零件也采用简化成质量点来替代。利用Hypermesh软件对集合模型进行离散化、材料定义等前期处理，生成有限元模型，并进行计算分析。分析结果如表3所示，原动力总成的有限元模态分析结果如图4所示。

由图4可知，动力总成在发动机缸体、油底壳底部与变速器的结合面产生了弯曲变形，与图3的一阶弯曲振型类似。因此可以判定，由于发动机运行时动力总成在变速器与发动机缸体和油底壳结合面产生弯曲变形，导致变速器壳体密封面有平面贯通，产生渗油风险。

由表3可知，动力总成有限元模态分析与试验模态结果一阶和二阶的模态频率误差小于10%，振型也基本一致，说明有限元模态分析和模态试验的结果一致性较好，动力总成的有限元模型准确。

3.2 方案优化及分析

根据3.1的分析可知，动力总成的一阶模态频率偏低，在运行转速范围内可能会存在共振风险，因此提高动力总成的一阶模态频率避开发动机的激振频率是最有效的方法。

在平台化增压汽油机新润滑系统分析模型中，各个新的零部件均赋予相应的流阻特性曲线（供应商处获得）用于计算机油管路压力、流量的变化。

提高动力总成的刚度能有效的提高其固有频率。目前提高刚度的方法有：①增加结合面零件的厚度，②在结合面零件表面增加加强筋。增加厚度会导致零件质量增加，使得零件成本增加，还会因为重量增加导致油耗上升;增加加强筋能够很好的考虑零件的结构和布置，并且质量增加较少，是常用的方法。

为了提高动力总成的固有频率，让动力总成在运行转速范围内不发生共振，通过图4的分析，我们发现在缸体和油底壳处存在高应变能密度区域，因此考虑在此区域增加加强筋。优化设计方案如图5所示。

对图5的优化方案装配到动力总成模型中，进行有限元模态分析，分析结果如表4所示。

由表4可知，设计优化后的动力总成一阶有限元模态达到了245.6Hz，满足设计要求;并且优化后的一阶模态比优化前的一阶模态提高了39.3%，二阶模态提升了9.7%。

图6为动力总成优化后的一阶模态分析结果振型，通过增加加强筋的优化设计，动力总成在发动机与变速器结合面以及油底壳底部弯曲变形减小了。

4  优化方案试验模态分析

根据章节3的优化方案，制作样件装配动力总成进行试验模态分析，测试结果如表5所示，图7为优化后试验模态测试结果振型。

由表5可知，设计优化后的动力总成一阶有限元模态达到了240.2Hz，满足设计要求;并且优化后的一阶模态比优化前的一阶模态提高了36.4%，二阶模态提升了22.5%。

由图7我们可以知道，優化后的动力总成一阶固有频率相对于优化前的得到了改善。

5  结论

通过有限元模态分析与试验模态分析相结合，找到动力总成的模态薄弱点并优化改进，研究结论如下：

①动力总成的一阶模态频率需要大于发动机的点火激励频率，避免发动机运行时产生共振损坏发动机。

②发动机油底壳和缸体抗弯强度低是导致动力总成模态低的原因。

③优化后的动力总成模态提升了36.4%。

④优化后的动力总成一阶模态弯曲模态相对于优化前的得到了改善。

参考文献：

[1]沃德·海伦等著，白化同，郭继忠译.模态分析理论与试验[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[2]束卫兵，孟浩东.柴油机动力总成异常振动的模态分析[J]. 小型内燃机与摩托车，2013，42（5）：14-16.

[3]Hwang S J，Chen J S，Liu L，et al. Modeling and simulation of a powertrain-vehicle system with automatic transmission[J]. International Journal of Vehicle Design， 2003，23（1）：145-160.

[4]樊逸斌，张平，段小成，等.基于运行模态法的动力总成缸体模态试验研究[J].噪声与振动控制，2010，30（6）.

[5]王良模，王文源，张一京，等.基于模态分析的某越野车动力总成壳体结构优化[J].南京理工大学学报，2015，39（3）.

[6]吴鹏.基于试验模态和计算模态的动力总成动力学分析[J]. 中国工程机械学报，2013，11（6）：534-536，541.

作者简介：李佳家（1987-），男，工程师，研究方向为车用汽油机设计开发。