基于模态的发动机进气歧管结构布置与优化设计

蔡兴玲（安徽全柴动力股份有限公司，安徽2395000）

0 引言

发动机进气歧管是发动机供给系统中的重要部件，直接影响到发动机的性能。进气歧管的主要功能是将尽可能多的可燃混合气或新鲜空气均匀分配到各气缸，故对进气歧管的要求是：进气阻力小、充气量大。与传统的铝制进气歧管相比，复合塑料（以下称为塑料）进气歧管具有一定的优越性：塑料进气歧管内表面光滑，可进一步减少进气阻力，提高充气性能；更重要的是，塑料进气歧管质量轻，成形工艺简单、生产效率高。随着汽车轻量化技术的发展，塑料进气歧管将逐渐替代铝制进气歧管。某发动机为了满足更高的节油要求和排放要求，进气歧管材料由铝制改为塑料材质，并增加了EGR进气方式。

一般情况下，进气歧管结构相同时，其模态频率的平方与材料的弹性模量E成正比、与材料的密度ρ成反比，即f∝铝制材料弹性模量E通常为70 GPa，相对密度2.7；本案塑料歧管材质为PA6+30%玻纤，弹性模量E约为8 GPa，相对密度1.37；因此，塑料进气歧管模态频率较铝制的低一些。从发动机振动角度而言，将铝制进气歧管改成塑料进气歧管，必须对原结构进行更改设计，以满足发动机可靠性要求；另外，为了提高塑料进气歧管的模态频率，通常情况下都需要在歧管适当的位置添加辅助支撑。由此，需要运用模态分析理论，对新设计的塑料进气歧管结构和辅助支撑位置进行振动模态分析，以获得优化的歧管结构设计和辅助支撑布置。

1 进气歧管方案

采用塑料进气歧管的发动机为3缸直喷式汽油机，其主要参数如表1所示。

表1 发动机主要参数

为获得最优进气歧管，设计了A、B、C三种歧管方案和3种不同的辅助支撑方案。3种歧管方案见图1。

方案A为匹配升级的汽油机进行的原始设计方案，其3维结构布置如图1a）所示。与原铝制进气歧管相比，进气特性通过CFD流动计算进行重新匹配，结构外形与原铝制进气歧管差异明显，必须进行模态振动计算以验证方案可行性。

方案B与方案A的主要的差异在于将方案A的稳压腔与进气歧管分开，目的是使歧管成形工艺更加简单。方案B进气歧管的3维结构布置如图1b） 所示。

方案C与方案A一样，采用稳压腔与进气歧管本体连接在一起的设计思路，增强进气歧管的结构刚度，提高进气歧管的可靠性。与A、B两种方案相比，方案C在歧管外形上做了进一步设计优化，增加了能提高结构刚度的辅助设计。方案C进气歧管3的维结构布置如图1c）所示。

图1 进气歧管方案

作为进气歧管辅助支撑的支架，其结构受发动机布置空间的限制，在仿真初期难以完全确定；但是支架在歧管上的安装位置则基本上是固定的。通常辅助支架固定位置，一处位于靠发动机侧的歧管实体块上，一处位于电子节气门的某一螺栓处。

位于进气歧管本体处的辅助支撑支架共2种结构，由于布置位置相同，在此均称为支架1，用符号a、b对结构特征加以区分。其中支架1-a为原发动机上采用的支架结构，进气歧管方案A在歧管实体支撑位置上沿用了这一支架方案。支架1-b为进气歧管方案B及方案C采用的支架结构。由于在歧管本体上的支撑位置与方案A有所不同，对该支架结构进行了更新设计。

支架2为固定于电子节气门位置的辅助支撑，其中的支架2-a结构采用单螺栓布置，歧管方案A及B采用该支架结构，支架2-b采用双螺栓布置形式，C方案采用这种结构形式的支架。各辅助支撑的详细结构如图2所示。

图2 辅助支撑

2 模态理论及设计目标

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，一般应用于工程振动领域；模态分析又是结构动态设计及故障诊断的重要方法[1-4]。模态是指机械结构的固有振动特性，每个模态都有其对应的特定固有频率。1阶模态固有频率在振动中起主要作用。为了避免进气歧管发生共振，应尽可能地提高进气歧管的1阶模态固有频率。该进气歧管匹配的发动机为3缸4冲程，转速覆盖范围为700～5 000 r/min，因此对应的发火激励频率为17.5～125 Hz。要避免发生共振，歧管1阶模态固有频率必须远离125 Hz。一般情况下，按照经验设计要求，振动传递率小于2，根据强迫振动理论可知，频率比应该小于0.707。因此，本案的模态设计目标：塑料进气歧管的1阶模态固有频率需要达到177 Hz。

3 计算模型及边界条件

计算模型包括进气歧管及电子节气门。电子节气门直接与进气歧管法兰面连接，其质量及质心位置对歧管模态有很大的影响，建模时必须考虑节气门对振动模态的影响。虽然电子节气门结构复杂，且各部分材料属性不一致，但不需要对结构进行详细建模，而是采用质量块代替电子节气门，准确反映其质量及质心位置即可。节气门与歧管法兰面之间建立MPC接触关系，使得接触面之间在振动情况下不分离。接触算法选择分布耦合法，即允许耦合面上的各部分之间发生相对变形，比运动耦合中的面接触更贴近实际情况。

有限元网格模型如图3所示，位移边界约束在进气歧管与缸盖法兰配合面上。其中节气门网格采用六面体网格，进气歧管本体采用高阶四面体单元。有限元模型共包含 C3D4单元10 800个，C3D10M单元216 580个。

图3 进气歧管有限元网格模型

4 计算结果与分析

4.1 方案A

方案A进气歧管在无辅助支撑情形下，1阶模态固有频率为68 Hz，2阶模态固有频率为98 Hz，3阶模态频率为204 Hz。无辅助支架时，针对1.5阶发火激励，进气歧管会在2 720 r/min和3 920 r/min时产生共振，共振的幅值取决于所对应阶模态的阻尼比。因此，进气歧管必须安装适当的辅助支撑。由于1阶模态固有频率在振动中起主要作用，因此，下面的模态计算仅计算进气歧管1阶模态固有频率。方案A进气歧管1阶模态振型见图4。

图4 方案A进气歧管1阶模态振型 （68 Hz）

根据进气歧管在整机上的安装条件，为方案A进气歧管设计了3种辅助支撑方案：仅安装支架1-a、仅安装支架2-a、同时安装支架1-a和支架2-a。分别对A进气歧管+3种不同辅助支撑方案进行模态振动计算，计算结果如图5所示。由图5可知，仅安装支架1-a时的1阶模态固有频率为164 Hz；仅安装支架2-a时的1阶模态固有频率为74 Hz；同时安装2个支架 （支架1-a和支架2-a）的1阶模态固有频率178 Hz。

图5 方案A进气歧管+不同辅助支撑的1阶模态振型

从计算结果可以看出，支架2-a的刚度较弱，未发挥出其应有的支撑作用。比较图5中3种辅助支撑的1阶模态固有频率可知，相比无支架状态，支架2-a未能明显提高歧管结构的1阶固有频率（仅从68 Hz提高到74 Hz），其仍处于发火激励共振区 （3 000 r/min）； “支架1-a方案” 和 “支架1-a+支架2-a方案”均明显提高了歧管结构的1阶固有频率，其对应的发火激励共振转速分别为6 560 r/min和7 120 r/min；在发动机处于6 000 r/min，阻尼比为0.01时，振动传递率分别为5.73和3.35，均大于2。从传递率要求来说，3种辅助支撑方案均不能满足设计要求，但 “支架1+支架2方案”略好些。

4.2 方案B

方案B进气歧管在无支撑状态下，1阶模态固有频率为42.6 Hz，2阶模态固有频率为52.2 Hz，3阶模态频率为68.6 Hz，其1阶模态振型如图6所示。可以发现，方案B的进气歧管稳压腔与3个缸的进气歧管分离后，模态固有频率有所降低。关键是1阶模态频率由68 Hz降为42.6 Hz，且方案B的歧管前几阶模态频率分布很密集，针对1.5阶发火激励，进气歧管会在 1 704 r/min、2 088 r/min、2 744 r/min等发动机工作转速时产生共振。这必须避免。

图6 方案B进气歧管1阶模态振型 （42.6 Hz）

对方案B进气歧管，采用支架1-b、支架2-a进行辅助支撑。支架1-b安装在近节气门的右下方，支架2-a安装在靠节气门侧的第1缸进气歧管上。对B方案采用辅助支撑后的模态振动进行计算，计算结果如图7所示。

图7 B方案进气歧管+辅助支撑1阶模态振型

方案B进气歧管采用辅助支撑后，其1阶模态固有频率仅为99.7 Hz，与设计目标177 Hz相差甚远。这种情况下，即使阻尼比达到3%，当发动机转速接近4 000 r/min（点火频率100 Hz）时，振动传递率也将达到16.7。这是不可接受的。因此，这种将稳压腔与歧管分离的进气歧管结构，即使有辅助支撑也难以达到设计目标。建议进气歧管结构设计时，稳压腔应尽可能与各缸歧管紧密结合在一起，这对改善歧管的振动特性是有利的。

4.3 方案C

方案C进气歧管在无支撑状态下，1阶模态固有频率为86.7 Hz，2阶模态固有频率为114 Hz，3阶模态频率为232 Hz。其1阶模态振型如图8所示。从图8可以发现，方案C的进气歧管，稳压腔与3个缸的进气歧管紧密结合在一起，模态固有频率有所提高，说明整体进气歧管的刚度好。

图8 方案C进气歧管1阶模态振型 （86.7 Hz）

给方案C进气歧管增加辅助支撑，采用支架2-b进行支撑。对方案C进气歧管增加辅助支撑后的模态振动进行计算，计算结果如图9所示。

图9 C方案进气歧管+辅助支撑1阶模态振型

方案C进气歧管安装支架后1阶模态固有频率能够达到201 Hz，达到设计目标177 Hz。

通过上述分析可知：1）3个进气歧管方案在无辅助支撑状态下，1阶模态频率都位于发动机工作转速范围内，均会产生共振，因此必须安装适当的辅助支撑；2）方案A中的支架1-a对进气歧管支撑刚度有明显的提升作用，而支架2-a对进气歧管支撑刚度影响较小；3）将稳压腔与各缸歧管分离的进气歧管结构，即使加上辅助支撑也难以达到设计目标，建议稳压腔应尽可能与歧管紧密结合在一起，增强歧管本体的抗振动特性；4）没有辅助支撑情况下，1阶模态固有频率C方案最高，为86.7 Hz，方案B最低，为42.6 Hz，C方案为68 Hz；5）增加辅助支撑后，A和B方案均不能满足设计目标，但方案A优于方案B，而方案C最优，为201 Hz，达到设计目标。

5 结论

模态分析方法适用于产品的失效分析及改进分析。采用模态分析方法对某款发动机塑料进气歧管的3种改进设计方案进行分析，方案C为最优，并最终通过了发动机台架耐久试验。模态分析的优势在于对边界条件依赖少，无需获取准确的进气歧管实际振动边界，就可进行强迫振动响应分析，这样可以快速对进气歧管本体结构及支撑布置进行选型设计。这在概念设计阶段对指导设计具有重要意义。