许早龙　林圣镇　夏玉茗　黄艳龙

摘 要：三缸发动机安装附件的耐久性评估对工程师是个挑战，传统的方法是让发动机在最高转速附近进行几百小时的连续试验，本文通过对附件及其支架进行转速扫描获得振动信号，结合附件模态频率的测试和分析，根据附件主要共振频率成分所对应的振动位移和发动机转速，制定发动机附件台架耐久性试验工况，提高了试验的有效性，缩短了试验开发周期。

关键词：共振频率；发动机附件；耐久性；试验台架

中图分类号：U467.2+1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）06-0041-04

Abstract： The durability evaluation of engine mounted components of a three-cylinder engine is a challenge for engineers； traditional method is run the engine at maximum speed for several hundred hours. In this paper， vibration signal is recorded by conduct full load speed sweeps； modal frequency of these overhanging components is tested and analyzed. Test procedure is determined by the resonant frequency and its corresponding engine speed， the test method is much more efficient than conventional one， this helped in reducing the product development time.

Key Words： resonant frequency； engine mounted components； durability； test rig

前 言

发动机附件如发电机、空调压缩机、进气歧管等通过支架与发动机固定，发动机在不同工况运转时由于往复惯性力和离心惯性力作用经常引起附件和支架的疲劳断裂。因此发动机附件的疲劳耐久试验必须作为发动机研发的一个重要内容。为节约时间和成本，对附件及其支架的考核通常在发动机试验台上进行。

目前基于频域法的随机振动疲劳试验设计方法，首先是根据载荷条件和边界条件对结构的有限元模型进行频响分析，加载与道路谱相同的谱型，得到应力响应的PSD函数和应力均方根值；其次，根据累积损伤准则和S-N曲线参数，针对窄带和宽带问题分别选择Bendat法和Dirlik法计算出相应的疲劳寿命[1-2]。最后，根据加速试验的期望时间得到试验所需的激励谱量级，从而设计试验工况进行试验。由于发动机开发前期发动机要装备在那种车型并不一定确定，且需要比较准确的有限元和材料模型，这种方法对于耐久性评价要求较高，且时间较长。

目前大部分公司的做法是让发动机在最高转速附近连续运行几百个小时进行考核，但也有的尝试测出发动机附件的振动信号，根据不同附件的振动加速度和振幅，制定更加合理的试验工况[3]。 本文的研究基于一款三缸发动机，根据其激励特性和附件的共振频率制定相应的耐久试验方法。

1 发动机附件振动及模态测试

在所有需要考核的发动机附件上布置加速度传感器，将发动机在台架上完成热机。分别进行空载、半载、满载测试；测试时，缓慢升速扫描（1000r/min～6500r/min），升速时间约为60秒，采集3-5组振动信号，查看采集数据的一致性和有效性。对振动位移后处理时，注意保留峰值（Spectrum peak hold）[4]。有的发动机附件本身在试验台架上不方便加载（如压缩机），可以保持空载状态。

同时，需要对这些附件进行模态测试，尤其关注附件的第一阶模态频率。

2 数据分析

从图1所示的发动机及其附件（如压缩机）加速度总值（Overall）振动图可以看出，在1780r/min附近发动机缸体及其附件似乎有一个“异常”峰值，经过分析发现在该转速附近，发动机扭矩达到最大，且发动机的刚体模态（rigid modal）约为30Hz左右，正好等于三缸发动机的1阶激励频率。由于三缸发动机的1阶和1.5阶激励都比较大，发动机刚体模态和扭矩共同造成了2000r/min以下转速的振动峰值。实车发动机刚体模态在20Hz以下，所以2000r/min以下会出现一个峰值。

为了尽可能使台架试验与实车试验相符合，发动机悬置橡胶隔振垫的刚度应尽可能与实车接近，且试验台架支撑腿的刚度应足够高，最好高于发动机的最高转速发火频率。

从发动机缸体及安装附件的振动信号中，提取彩图（Colormap）和频谱图（如图2所示），由于三缸发动机在最高转速6500r/min对应的二阶发火频率为162.5Hz，可以发现，缸体和所有发动机附件确实在162.5Hz处有一个断崖式下滑，大于该频率的振动幅值剧然降低，后面的峰值基本是附件的局部模态，这时需要根据前面对所有附件所进行的模态测试数据进行逐个检查确认。图2中，310Hz为压缩机的第一阶共振频率值。

共振是疲劳破坏非常重要的因素，发动机安装附件如果随缸体一起振动而不发生相对旋转和位移，就不会产生应变破坏[5]。从频谱图可以发现，发动机附件的模态频率大于最高转速的点火频率后，位移响应非常低，只有在共振频率处才有比较高的幅值。综合考虑顾客使用习惯和对应的疲勞破坏规律，从而设计台架快速试验工况，需要很多试验数据积累[6]。由疲劳损伤理论知，如果一个试件在历经一定数量的疲劳循环后，仍不断裂，则可认为其寿命是无限的。根据有关资料的推荐，对于以铝、镁为主的轻合金或者复合材料制造的发动机附件支撑零件疲劳极限的循环次数S=5×107，对于铁质的冲压制造的发动机附件支撑零件S=2×107；根据经验，对于五缸以下的发动机，在共振频率附近的振幅低于0.02mm，则认为该附件不会发生疲劳破坏（对于六缸以上的发动机，取0.01mm）。图2压缩机在310Hz左右振动位移超过0.02mm。endprint

如圖3所示，0.02mm线定义为耐久试验分界线，若在大于162.5Hz的整个采样频率上零件的振动幅值都<0.02mm，则认为该零件不需要进行疲劳耐久试验，反之，则需要。若在低于162.5Hz有明显高于缸体位移变化趋势的峰值，说明该附件模态较低，结合模态测试数据也需要关注。定义附件的共振带为振动峰值的1/ 2 倍与振幅曲线的两交点所对应的频率分别为共振频率上下限。

确定若干个附件的振幅超过0.02mm，需要进行共振频率疲劳耐久试验。根据不同的材料（铁质和非铁质），考核时间为在共振频率上下限之间的振动次数等于相应的疲劳极限次数，示例见表1。

3 耐久试验方案制定

从表1可以看出，不少附件的考核转速是重叠的，综合考虑所有零件的考核时间、转速区间等需要制定一个最优方案，本文利用Monte Carlo模糊变量法通过产生服从一定分布的随机变量，计算响应值的分布情况，以确定变量的变化对响应值的影响程度，从而对共振频率的转速区间进行划分，以得到总考核时间的最优解。

本次试验发现发动机在空载、半载条件下，各个附件的振动量级比满载小很多；因此耐久试验基本上在满载条件下进行。最终将考核转速划分为7个区间（见表2），使总考核时间最短，总考核时间为294.7h。此前，发动机附件的耐久试验是在6000r/min进行700h的试验，该方法不但总运行时间长，而且不能保证零件处于共振状态。

该发动机装车后，按照实际道路试验的各种规程进行了考核，发动机附件未发生任何破坏。

4 结论

（1）发动机安装附件的耐久性考核如果固定在最高转速附近，进行七百小时的试验，不能保证零件处于最容易破坏的共振状态，本方案考虑了发动机附件的共振频率，使零件的考核更加合理和充分，同时缩短了考核时间。

（2）在前期开发过程中，一般CAE分析要求发动机附件的第一阶模态频率大于最高转速的点火频率，为了安全有的甚至要求两倍以上的安全系数。从频谱图上可以看出，随着频率的增大，振动幅值迅速降低，本试验验证了这个要求的合理性。

参考文献：

[1]张方，周凌波等.基于频域法的随机振动疲劳加速试验设计[J].振动、测试与诊断，2016，36（4）：659～662.

[2]Lawrence Tack Wen Yan，“A Comparison of Fatigue Life Estimation on the Frequency Domain with Test Data and Time Domain Calculations”SAE Technical Paper2016-36-0168， dio： 10.4271/2016-36-0168.

[3]王朝斌，叶常景.发动机附件台架疲劳试验工况的探索[J].汽车科技，2015，35（2）：61～67.

[4]Reilly， T.， "Multi Frequency Swept Sine Testing for Automotive Durability Testing of Engine Mounted Components，" SAE Technical Paper 2011-01-1658， 2011， doi：10.4271/2011-01-1658.

[5]KV， S.， Sheepri， S.， Kandula， K.， and Kumar， A.， "Integrated Approach for Accelerated Fatigue Testing of Resonating Structures，" SAE Technical Paper 2014-01-0821， 2014， doi：10.4271/2014-01-0821.

[6]Gosavi， S. and Chavan， G.， "Development of Customer Correlated and Accelerated Driveline Durability Test Cycle，" SAE Technical Paper 2009-01-0412， 2009， doi：10.4271/2009-01-0412.endprint