轻量化对发动机整机振动烈度的影响.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:第一作者简介:丁保安()男山东济宁人工学硕士工程师主要研究方向为发动机和整车 先进技术:.:./.轻量化对发动机整机振动烈度的影响丁保安王景新苏艳.内燃机可靠性国家重点实验室山东 潍坊.潍柴动力股份有限公司山东 潍坊 摘要:为研究发动机轻量化对整机振动的影响在不改变整机零部件结构的情况下将飞轮壳及齿轮室材料由铸铁改为铸铝基于柔性体多体动力学方程采用 及 软件建立整机多体动力学仿真模型对原发动机振动烈度和振动加速度进行多体动力学仿真和发动机台架试验验证并对优化前、后的发动机振动烈度和振动加速度进行仿真对比 结果表明:飞轮壳、齿轮室材料由铸铁改为
2、铸铝后整机总质量减轻 额定转速下整机振动烈度由./增大为./振动加速度由./增大为./振动等级均为 级/对发动机振动影响较小关键词:飞轮壳齿轮室多体动力学轻量化振动烈度中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:丁保安王景新苏艳.轻量化对发动机整机振动烈度的影响.内燃机与动力装置():.():.引言随着各项法规对载货车超载问题的严格限定要求车辆必须标定最大总质量由于载货车规费征收金额与车辆总质量有关在车辆总质量一定的情况下整车整备质量越小则装载量越大运输成本相应较低 整车轻量化成为影响载货车辆销量的关键因素之一通常采用高强度、铝合金材料或轻量化结构实现整车轻量化 发动机作为车辆的核心部件降
3、低发动机的质量是整车轻量化研究的一个主要方向但结构及材料的变化影响发动机振动及可靠性发动机质量减轻后通常会影响整车的噪声性能多体动力学仿真不仅可缩短开发周期降低研发成本还可应用于其他零部件结构及材料优化后对整机振动的分析 本文中在不改变柴油发动机整机零部件结构的情况下将飞轮壳及齿轮室的材料由铸铁改为铸铝基于 软件建立整机振动多体动力学模型分析齿轮室和飞轮壳材料更改前、后整机振动情况 理论基础.柔性体多体动力学方程发动机在运转过程中受到各种冲击力和周期激振力的作用其中曲轴销受气缸气体压力、运动部件(活塞、连杆等)惯性力及重力等综合作用产生交变切向力和径向力是发动机振动的主要振源 柔性体多体动力学
4、在指定的惯性参考系中确定系统中物体每刻的位形即每个物体按照某种方式选定一个动参考系并相对于该参考系确定物体位形 柔性体多体动力学模型考虑了结构件的弹性特征对系统振动响应的影响更符合发动机的实际工作状态计算结果精度更高 若物体振动不受阻力作用振动将无限进行下去但由于振动系统存在阻力不断消耗振动能量使振幅不断减小直到振动停止 阻尼存在时强迫振动系统力学模型所受外力()()()()式中:为质量矩阵 为阻尼矩阵 为刚度矩阵()为位移向量()为加速度向量()为速度向量 为时间.振动烈度国际上通常采用振动烈度来衡量物体振动强度并以振动加速度作为参考发动机整机振动烈度式中:、分别为测点 在、方向上的有效振动
5、速度/、分别为、方向上的测点数整机振动加速度式中:、分别为测点 在、方向上的振动加速度/仿真模型及动力学分析.整机有限元模型图 非运动类支撑件模型采用有限元前处理 软件建立发动机机体等非运动类支撑件模型其中发电机支架等附件采用实体 单元建模油底壳采用壳单元划分螺栓连接结构用 连接非运动类支撑件模型如图 所示发动机零部件数量较多为减少计算量建模时在保证网格质量基础上需控制网格数量 本文中发动机模型采用网格单元大小为 网格数控制在 万左右基于支撑件模型建立曲轴等旋转运动件模型为保证计算精度曲轴主轴颈及连杆轴颈的网格与主轴承轴瓦表面节点一一对应曲轴中心线指向飞轮端为 轴正向竖直向上为 轴正向右手定则
6、定义 轴正向运动件模型如图 所示图 运动件模型.多体动力学模型动力学仿真分析发动机整机结构时由于其自由度较多分析结果庞大需要采用适当的变换模型缩聚消除对整机结构动力影响效果较弱的副自由度保留主自由度减少计算量提高计算效率首先对发动机、机体等非运动类支撑件及曲轴等运动件进行有限元模型缩减生成柔性体模型其次在 软件中建立整机多体动力学仿真模型如图 所示 选取发动机在额定转速为 /时的缸压加载曲线作为整机多体动力学计算的输入条件缸压加载曲线如图 所示计算整机振动时采用活塞缸套导向单元模拟活塞的传力作用建立曲轴减振器及后端输出模型第 期 丁保安等:轻量化对发动机整机振动烈度的影响 连杆大头轴承采用单点
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