1 概述

       汽车发动机是为汽车提供动力的发动机，是汽车的心脏，影响汽车的动力性、经济性和环保性。由于汽车发动机的结构特点，使得它的振动问题是在实际工程应用中必须充分考虑的问题，模态分析作为研究结构动力特性的一种分析方法，是系统辨别方法在工程领域中的应用，通过模态分析方法预知了结构物在某一受影响的范围内，各阶主要模态的特性，就可避免外部激振源的振动响应，并将这些参数用于设计过程，优化系统动态特性，模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构力特性的优化设计提供依据。本文通过对发动机的动力总成弯曲模态分析（PT-bending分析），分析了发动机动力总成系统的一阶模态频率及变速箱螺栓失效及加强板螺栓失效状况下的发动机动力总成一阶模态频率，通过分析结果来评价各失效状况下对发动机实验过程中出现故障的影响。

2 有限元模型的建立

       发动机有限元分析模型见图1，分析模型包含发动机、变速箱的主要结构件。运动件：如活塞、连杆、曲轴、齿轮等都以质量点代替，模型总重量312.78kg，其中发动机250.78kg，变速箱62kg。

图1 发动机有限元分析模型

       运用HyperMesh软件对发动机及变速箱的主要零部件进行网格划分，所有零部件采用二阶四面体单元。使用HyperWorks对发动机及变速箱构成的动力总成系统进行PT-bending分析，有限元分析模型见图1；变速箱螺栓失效通过取消变速箱与离合器壳的联接来实现，具体见图2；

图2 变速箱螺栓失效通过取消变速箱与离合器壳的联接来实现

       通过取消一个加强板与缸体间的一个联接来模拟加强板螺检松脱，具体见图3。

图3 模拟加强板螺检松脱

3 计算结果

       3.1 动力总成侧向弯曲模态

       在HyperWorks软件计算得到动力总成侧向弯曲模态分析结果如图4所示，正常状态下动力总成侧向弯曲模态为162.2Hz，变速箱螺栓失效状况及加强板螺栓失效状况下的动力总成侧向弯曲模态分别为160.9Hz和161.6Hz。变速箱螺栓失效使动力总成侧向弯曲频率下降1.3Hz，加强板螺栓失效使动力总成侧向弯曲频率下降0.6Hz。影响较小。

图4 动力总成侧向弯曲模态分析结果

       3.2 动力总成垂向弯曲模态

       在HyperWorks软件计算得到动力总成垂向弯曲模态分析结果如图5所示，正常状态下动力总成垂向弯曲模态为178.8Hz，变速箱螺栓失效状况及加强板螺栓失效状况下的动力总成侧向弯曲模态分别为176.7Hz和175.9Hz。变速箱螺栓失效使动力总成垂向弯曲频率下降2.9Hz，加强板螺栓失效使动力总成垂向弯曲频率下降0.6Hz。影响较小。

图5 动力总成垂向弯曲模态分析结果

       3.3 各状况下喷油泵、起动机的模态影响

       在HyperWorks软件计算得到各状况下喷油泵、起动机模态分析结果，具体见图6，正常状态下一阶模态值为159.4Hz，变速箱螺栓失效状况及加强板螺栓失效状况下的喷油泵、起动机的一阶模态值分别为153.6Hz和159.4Hz，变速箱螺栓失效会对喷油泵、起动机的模态频率产生影响，降低频率5.8Hz，并且在离合器壳体与变速箱壳体间造成相对振动。

图6 各状况下喷油泵、起动机模态分析结果

       3.4 发电机系统模态

       在HyperWorks软件计算得到各状况下发电机系统模态分析结果，具体见图7，发电机系统正常状态下一阶模态值为122Hz，变速箱螺栓失效状况及加强板螺栓失效状况下的发电机系统的一阶模态值分别为121.8Hz和121.9Hz，发电机系统一阶模态频率小于发动机最大连续转速下二阶频率*1.2=164Hz（AVL评价标准）,同时也小于额定功率转速下二阶频率*1.2=136Hz,需要引起重视。

图7 各状况下发电机系统模态分析结果

4 结论

       本文通过对发动机动力总成系统在多种失效情况下进行PT-bending分析，对比各失效状况下的模态分析结果，结果表明各失效状况对动力总成侧向和垂向弯曲模态影响较小；变速箱螺栓失效会对喷油泵、起动机的模态频率产生影响，并且在离合器壳体与变速箱壳体间造成相对振动；失效状态下发电机系统模态小于正常的评价标准，需引起重视。