农用柴油机齿轮室盖结构动态特性分析与改进

孟浩东　赵景波　王勇　郭炎　戴旭东　徐年尧

摘要：针对某型单缸农用柴油机在标定工况下铸铝齿轮室盖结构振动问题，采用现代信号处理技术结合有限元模态分析技术分析齿轮室盖的结构动态特性。首先采用变分模态分解方法（VMD）与同步压缩小波变换法（SWT）相结合的方法获取了齿轮室盖结构振动的主变分模态分量，分析其时频特性，然后通过频率响应法识别齿轮室盖结构的固有特性，分析两者相关性，在此基础上再利用有限元模态分析技术进一步研究齿轮室盖结构振动的模态特性，找到导致其动态特性变差的薄弱环节，最后采用加强筋结构改进设计措施提高齿轮室盖的模态频率，避开结构共振，优化结构动态特性。

关键词：农用柴油机；齿轮室盖；信号处理；动态特性；模态分析

中图分类号：TK422文献标识码：A文章编号：20955553 （2023） 11008706

Analysis and improvement of dynamic characteristics of gear chamber cover structure of

agricultural diesel engine

Meng Haodong Zhao Jingbo Wang Yong Guo Yan Dai Xudong Xu Nianyao

（1. School of Automotive Engineering， Changzhou Institute of Technology， Changzhou， 213032， China；

2. Automotive Engineering Research Institute， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract：Aiming at the structural vibration problem of cast aluminum gear chamber cover of a certain type of single cylinder agricultural diesel engine under calibration condition， the structural dynamic characteristics of gear chamber cover are analyzed by modern signal processing technology combined with finite element modal analysis technology. Firstly， the principal variation modal components of the structural vibration of the gear chamber cover are obtained by combining the Variational Mode Decomposition（VMD） method with the Synchronous Compression Wavelet Transform（SWT） method， and the time-frequency characteristics are analyzed. Then， the inherent characteristics of the gear chamber cover are identified by the frequency response method， and the correlation between them is analyzed. On this basis， the modal characteristics of the structural vibration of the gear chamber cover are further studied by using the finite element modal analysis technology， and the weak links that lead to the deterioration of its dynamic characteristics are found. Finally， the modal frequency of the gear chamber cover is increased， the structural resonance is avoided and the structural dynamic characteristics are optimized by using the measures of improved design of stiffener structure.

Keywords：agricultural diesel engine； gear chamber cover； signal processing； dynamic characteristics； modal analysis

0引言

農用柴油机是农用机械车辆的主要动力源，随着柴油机功率和转速的不断提高，振动与噪声问题日益突出，尤其是动力系统结构共振不仅影响产品可靠性还会影响驾驶员的身心健康。为满足日益严格的国家环保法规需要和客户对农用机械车辆舒适性的需求，必须对农用柴油机结构的动态特性进行分析与改进。

农用柴油机板壳和箱体薄壁结构件是影响动力系统结构动态特性的关键零部件，近年来国内外学者采用基于试验测试、信号处理以及仿真分析相结合的多信息融合技术研究柴油机薄壁结构件动态特性进行结构减振降噪［13］。曾志星等［4］结合声强法噪声源识别试验、1/3倍频程频谱及有限元约束模态仿真分析了齿轮室盖板的声振特性，通过给齿轮室盖板开孔和更换材料的改进措施避开了共振频率，优化了结构噪声。孟浩东等［5］将同步压缩—交叉小波变换法与有限元模态分析法相结合识别了柴油机后盖板总成异响特性，通过采取托架板与加强筋设计措施提高了薄弱结构刚度，消除了结构共振异响。陈建明等［6］采用有限元计算和试验分析相结合的方法分析了柴油机振动响应特性，通过模块化设计将薄弱环节飞轮壳组合式结构改为一体式结构，提高了整机刚度，有效降低了整机振动。张艳岗等［7］将灵敏度分析、模态试验、仿真计算相结合找到了影响柴油机传动箱结构刚度的关键因素，通过改进传动箱壁厚参数提高了结构刚度和模态频率，避免了结构共振。

本文以某型单缸农用柴油机铸铝齿轮室盖为研究对象，首先在标定工况下采用变分模态分解方法［810］（Variational Mode Decomposition，VMD）自适应分解柴油机多源激励作用下齿轮室盖振动响应信号，获取影响结构动态特性的主变分模态分量，结合同步压缩小波变换法［1112］（Synchronous Compression Wavelet Transform，SWT）提取变分模态分量信号的时频特征，然后利用齿轮室盖频响函数识别结构的固有特性，在分析两者相关性基础上，最后采用有限元模态分析技术进一步研究齿轮室盖的振动模态特性，找到影响结构动态特性的薄弱环节，研究结果指导优化其结构动态特性。

1农用柴油机齿轮室盖振动试验分析

1.1VMD-SWT方法概述

同时结合图3（e）各变分模态分量基于连续小波变换法的时频分析比较可知，连续小波变换法时频分辨率不高，导致模态分量的中心频率特征提取产生混淆，而同步压缩小波变换能克服时频模糊现象，提高时频聚集性和可读性，准确提取齿轮室盖结构振动的主变分模态分量时频特征，说明采用VMD-SWT方法在准确提取结构振动的主变分模态分量时频局部信息特征方面更具优势。

为找出铸铝齿轮室盖结构主振动致使其动态特性变差的原因，采用脉冲激振法进行实际安装条件下齿轮室盖结构的频响特性分析，获得的结构频率响应函数如图4所示。

从图4可知，齿轮室盖结构存在以2130Hz为中心的某阶模态主导频率，其垂直方向振动幅值最大，同时与标定工况下结构振动的主变分模态分量的中心频率区间相吻合，说明齿轮室盖结构模态频率落入了单缸柴油机工作激励频率区间，导致了结构的共振响应，而控制齿轮室盖主振动优化结构动态特性的关键是避开结构共振频率以降低中高频带的振动响应能量。

2农用柴油机齿轮室盖有限元模态分析

根据齿轮室盖的振动试验分析结果，采用有限元模态分析方法进行齿轮室盖的振动模态特性分析，找到导致结构动态特性变差的薄弱环节进行结构改进设计，使结构模态主导频率避开共振频率，达到改进结构动态特性的目的。首先建立铸铝齿轮室盖的有限元仿真模型，然后选取4mm的四面体单元进行结构的自由网格划分，最终得到的齿轮室盖有限元网格模型如图5所示。

为模拟齿轮盖的实际工作状态，将其与机体连接端面的螺栓孔内接触面都施加固定约束，全约束了所有连接螺栓孔的自由度，采用分块兰索斯法［15］计算约束边界条件下齿轮室盖的结构模态，前8阶约束模态频率计算结果如表2所示，其中第6阶约束模态振型如圖6所示。

从表2可以看出，齿轮室盖第6阶约束模态频率为2 126Hz，与其在标定工况下结构主振动的变分模态分量中心频率2134Hz相接近，落入了结构共振频率区间，因此，该阶约束模态频率是控制结构共振的主导频率。结合图6分析可知，齿轮室盖第6阶约束模态振型表现为平板表面结构作类似鼓面振动，其中靠近机油泵安装孔及油尺孔部位变形相对较大。由于平板结构开孔在一定程度上破坏了结构局部刚度，促使结构固有频率有所下降，因此，齿轮室盖结构中靠近机油泵安装孔与油尺孔内侧部位是影响结构动态特性的薄弱环节。

3农用柴油机齿轮室盖动态特性改进分析

综合齿轮室盖试验与有限元仿真分析结果，要降低标定工况下齿轮室盖结构主振动的变分模态分量的振动响应能量，可通过改进结构薄弱环节设计使主导约束模态频率避开结构共振频率区间，达到优化结构动态特性的目的。在确保改进结构不会对齿轮室盖装配产生干涉影响条件下，采取齿轮室盖内侧加强筋结构改进设计措施来提高结构刚度，其中将齿轮室盖内侧纵向和横向加强筋高度都增加3mm，同时把纵向加强筋宽度都增加2mm，采取上述改进方案后进行约束模态频率计算，结果如表2所示，其中改进后的齿轮室盖结构及其约束模态振型分别如图7和图8所示。

从表2和图8中分析可知，采用纵横加强筋改进设计后能有效提高齿轮室结构刚度和模态频率，尤其是第6阶主约束模态频率提高了176.6Hz，在提高结构弯曲刚度的同时也有效避开了结构共振频率区间，其主振型相对变形量也减小。下一步将根据齿轮室盖动态特性的仿真改进效果进行试验验证。

4结论

1） 在标定工况下，铸铝齿轮室盖结构振动的主变分模态分量存在以2134Hz为中心的峰值频率，而引起主变分模态分量的原因由于齿轮室盖结构模态主导频率落入了单缸农用柴油机的工作激励频率区间导致了结构共振响应，控制齿轮室盖结构振动的关键是降低其主变分模态分量的振动响应能量。

2） 铸铝齿轮室盖的第6阶约束模态频率是导致结构共振的主导模态频率；齿轮室盖内侧结构中靠近机油泵安装孔与油尺孔部位是导致结构动态特性变差的薄弱环节；采取纵向和横向加强筋结构尺寸综合改进措施提高了结构刚度，齿轮室盖第6阶约束模态频率提高了176.6Hz，避开了结构共振频率区间。

3） 融合VMD-SWT方法和模态分析法的优势，自适应分解了柴油机多源激励下齿轮室盖振动信号，获得了影响齿轮室盖结构动态特性的主变分模态分量及其时频特性，研究了齿轮室盖结构振动的模态特性，分析了两者之间的相关性，找到了导致齿轮室盖结构动态特性变差的薄弱环节，通过采取加强筋改进设计措施提高了结构刚度，优化了结构动态特性。

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