汽车发电机—压缩机支架断裂发生机理及控制措施
2003年 2月
第 26卷 第 2期
重 庆 大 学 学 报
Journ al of Chongqing University
Feb．2oO3
VO1．26 NO．2
文 章编 号 ：1000—582X(2003)02—0107—03
汽车发 电机 一压 缩机 支架 断裂发 生机理 及控 制 措施
熊 伟 ，邓 兆 祥 ，褚 志 刚 ，刘 剑
(重 庆 大 学 机 械 传 动 国 家重 点 实 验 室 ，重 庆 400044)
摘 要 ：针 对 某微 型汽 车在 道路 试验 和 实 际使 用 中出现 的发 电机 一压 缩机 支架 断裂 并 导致 发 电机 一
压缩 机 一曲轴 皮带 断裂 而 严 重影 响其 使 用寿命 的现 象，对其 发 电机 一压 缩机 支架 系统进 行 了发 动 机 台架
振动测量和 实验分析研 究，利用频谱分析技 术得到 了该 系统典型部位的振动信号特征 ，识另1了有害振 源。
同时结合有限元分析技术 ，研究振动的发生、形成、传播 和破 坏机理 。在此基础上 ，提 出了行之有效的改
进措 施 和控 制 方案 ，达 到 改善 系统动 态特 性 ，降低 振 动 强度 ，避 免 了支 架 系统 和皮 带 的破 坏 或 失效 。
关键 词 ：有 限 元分 析 ；断裂 ；实验研 究 ；共振
中 图分 类号 ：U467．4+92 文献 标 识码 ：A
某型号微 型汽车在实际使用 和发动机 台架性能 试验
中，均发现 其 发 电机 一压 缩 机 支 架 系统 特 别 容 易 断裂 。
断裂 的部位 主要集 中在压缩机支 架 的中部 和发 电机 支架
的根部 ，且 通 常伴 随着 曲轴 一发 电机 一压 缩 机皮 带 的断
裂 。在进一 步 的对 该 车 型 多个 随机 样 车进 行 现 场 检 测
时 ，发现 所有样机在发 动机转 速为 3 800～4 200 rpm之间
时 ，发 电机 和 压缩 机支 架 系统 存 在 强烈 的 横 向振 动 ，即
出现 了横 向共 振 。针对 此 现 象 ，笔 者 借 助 频 谱 分 析 技
术 和有 限元 分析 方 法进 行 了深 入 的探 讨 。认 为造 成 这
种振 动 的 主要 原 因来 源 于两 个方 面 ：一 是 存 在 异 常 的
激励 源 ，二 是存 在 不 良的结构 或 系统 动态特 性 ，且 二 者
同时存 在 -- 。
1 支架 系统 台架实验 分析
本 文 首先 在发 动机 台架 上测 量 了原 支 架 系统 典 型
位 置处 的振 动加 速 度 信 号 。具 体 的 测 量 工 况 为 ：发 动
机 转速 从 2 000～4 600 rpm，每 隔 200 rpm 为一 测 量 转
速 ，发 动机 全 负 荷 ，压 缩 机 无 负 荷 ，发 电 机 50％负 荷 。
根 据实 际 支 架 系统 的 破 坏情 况 ，选 择 的 典 型 测 点 位 置
如图 1所示 。
利 用 频谱 分 析技 术对 上 述实 验 数据 进 行详 细 的分
析 和处 理后 ，各测 点 的位 移 和 速 度 的均 方 根 值 随 转 速
的变 化 关 系分 别 如 图 2、3所 示 。从 图 中可 以发 现 ，在
对 应 于发 动机 转 速 为 3 800～4 400 rpm时 支 架 系 统 出
现明显 的共 振 现 象 ，共 振 峰 出 现 在 4 200 rpm左 右 ，而
在 3 600 rpm以 下 转 速 时振 动 相 对 很 小 ，在 4 600 rpm
以上振动的强度也有 明显下 降。此外 ，各测点的振动
强 度 的大 小 以 3点 最 大 ，2点 次 之 ，1、4测点 较 小 。
丑
霹
图 l 振 动 测 量 测 点 布 置 示 意 图
图 2 改进 前 各 测 点 位 移 均 方 根 值
随 转 速 的 变 化 关 系
从各 测 点对 应 的 每个 转速 的加速 度 频谱 图 还可 发
现 ，各 频谱 图 的第 一 峰值 频 率 随 着 转 速 的 上 升 而 成 比
例 的上 升 。其 频率 值 与 发 动 机 的工 作 转 频 、压 缩 机 的
工 作转 频 、发 电 机 的 0．5倍工 作 转 频基 本 吻合 。 由此
可 见 ，发 动机 的扭 矩波 动 、发 电机 的轴 向窜 动 以及压 缩
· 收 稿 日期 ：2002—11—15
作 者 简 介 ：熊 伟 (1978一)，男 ，重 庆 人 ，重 庆 大学 硕 士 生 ，主 要 研 究 方 向 为 车 辆 系 统 动 力 学 。
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l08 重 庆 大 学 学 报 2003年
图 3 改 进 前 各 测 点 速 度 均 方 根 值
随 转 速 的 变 化 关 系
机 的轴 向窜 动 是引起 系统 共振 的可能 来源 。
以上 三 个 振 源 可 能 单 独 存 在 ，也 可 能 共 同作 用 。
为 了确定 三 个振 源 的 贡 献 大 小 ，本 文设 计 了进 一 步 的
分离 实验 ：1)首 先 去 除 压缩 机 皮 带 ，使 压 缩 机 不 工 作 ，
且 基 本不 影 响 系 统 的结 构 动 态 特 性 。2)在 上 述 基 础
上 ，换 装 曲轴 水 泵皮 带 ，使 发 电 机 不 工 作 ，而 水 泵 正 常
工作 ，在 不 影响 发动 机 冷却 的前 提 下 ，使 系统 结构 动 态
特性 基本 保 持不 变 。
在去 除 了压缩 机 皮 带 后 ，系统 的振 动特 性 基 本 未
变 ，从 而 证 明 压 缩 机 不 是 该 系统 振 动 的 主 要 激 励 源 。
而换装曲轴水泵皮带 ，由于需要专门的皮带 ，这在样件
和工 装上 都不 现 实 ，故 该 分 离 实 验 未 能 进 行 。但 对 于
曲轴 的扭 矩 波动 ，可 能 的传递 途 径 有两 个 ，一是 直 接通
过 曲轴皮 带 轮经 由皮 带 传递 到 发 电 机 压 缩 机 系统 ，但
考虑 到橡 胶 皮带 本 身 的 吸 振 作 用 ，该 途 径 的传 递 效 率
很 低 ；二 是通 过 曲柄 连 杆 机 构 的支 承 点 传 递 到 发 动机
机体 上 ，最 后 再 传 递 到 系统 上 ，激 励 系统 的振 动 。 因
此 ，发动 机本 身 的扭 矩 波 动 可 能 是 该 系 统 振 动 的一 个
激 励 源 。对 于发 电机 ，由于存 在 明显 的横 向窜 动 ，经 测
量 ，窜动 量一 般在 0．15～0．30 inln(而 国外 相 应 发 电机
的窜 动量 小 于 0．10 m／／1)Es]，且 该 窜 动 量 引起 的激 励 直
接 作 用 于系统 本 身 。 因 此 ，可 以 断定 该 窜 动 引起 的激
励 是 该 系统 最 主要 的激 励 源 。
综上 所 述 ，发 电机是 该 系统 振 动 主要 的激 励 源 ，此
外 ，发 动机 的扭 矩波 动 也是 该 系统振 动 的另一 激励 源 。
2 支架 系统解析分析
为 了 了解 支 架 系统 的 动 态 特 性 ，本 文 对 支 架 系统
进 行 了各 种解 析 计算 ，并且 对 其 中难 以确 定 的参 数 的
影响 进行 了量化 分析 。首先 对 发 电机支 架 和压 缩 机支
架组 成 的系统 进行 了 自由模 态 分 析 和 约 束 模 态 分 析 ；
其 次 对发 电机 支架 、压 缩 机 支 架 和 发 电机 压 缩 机 支 座
构成 的 系统进 行 了约 束 模 态 分 析 ，对 其 中发 电机 和 压
缩 机 的转 动惯 量 和质 心 位 置 的 影 响 大 小 做 了评 估 ；最
后对 整个 发 电机 支架 、压 缩机 支 架 、发 电机 、压 缩 机 、发
电机 和 压缩 机支 座完 整 系统 进 行 了约束 模 态分 析 。
在上 述分 析 结论 的 基 础 上 ，建 立 了与 实 际 情 况 最
相吻 合 的系统 模 型 ，该 系统 中建 立 了实 际 的 发 电机 和
压缩 机模 型 ，并考 虑 了各 零 部 件 之 间 的 实 际 螺 栓 连 接
关 系 。最 终 的有 限元 模 型 如 图 4所 示 。
图 4 原 完 整 系 统 有 限 元 模 型
该 模型 共有 39 425个 节 点 ，37 569个 单 元 ，236 550
个 自由度 。其 中在发 电机 支 架 与发 动 机机 体 的两 个 螺
栓 连 接面 ，托 架与 发 电 机 机 体 的两 个 螺 栓 连 接 面 以 及
托 架 与发 动机 机体 的螺栓 连 接 面 上施 加 固定 约束 。其
前 12阶模 态计算 结果 如表 1所 示 。
表 l 原 完整 系 统 模 态 频 率 (Hz)
其 中第 3阶和第 4阶 固有 频 率分 别 为 433．2 Hz和
567．7 Hz，而这两个频率正对应 于发 动机转速 为 4 200 rpm
左右 时的发 电机 转 动 频 率 的 3倍 频 和 4倍 频 。从 其 各
阶模 态对应 的振型 来看 ，主要 以支 架 系统 的横 向振动 为
主 ，与实际 的振动 相当吻合 。从 振 型判 断得 到 的对 应 各
振 型的可 能破坏部 位与 实际破 坏情 况也完全 一致 。
需要 说 明的是 ，一 方 面 由 于解 析计 算 对 实 际情 况
作 了大量 的 简化 ，解 析 计 算 的结 果 与 实 际结 果 必 然 存
在 着一 定 的偏 差 。另 一 方 面 ，由于 实 际 的实 验 是 测 量
系统 的振 动强 度 随发 动机 转 速 的 变 化 规 律 ，而非 进 行
系统 的实 验模 态分 析 ，得 到 的实 验 结 论 也 不 是 准 确 的
模 态 结果 。但 这 并不 影 响分 析 结论 的正确 性 。在 本 文
的分 析 中 ，影 响解 析 分 析 结 果 的 主要 因 素有 以下 几 个
方 面 ：
(1)实 际压缩 机 和 发 电机 的 简化 ；
(2)实 际螺 栓连 接 的简 化 ；
(3)实 际皮带 预 紧 力 的忽 略 ；
(4)理论 装 配位 置 与 实际 装 配位 置 的误差 ；
(5)发 电机支 架 和 托架 与 发 动 机机 体 固定 连 接 的
简 化 。
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第 26卷 第 2期 熊 伟 等 ： 汽车发 电机 一压缩机 支架断裂发生机理及控制 措施 109
3 支架 系统 的改进设 计
根据 以上 分析 的结果 ，为 实 现 以最小 的 改动 ，最 低
的控 制成 本 ，达 到 最有 效 的控 制 效果 ，本 文提 出如下 控
制策 略 ：一 是对 发 电机 本 身激 励 源 的控制 ，以达 到治 本
的 目的 ；二 是对 改 变现 有 系统 的 动态 特性 ，以达 到 治标
的效果 。前 者 需要 对 发 电机 的生 产质 量进 行 严 格 的控
制 ，而 国 内的生 产 水平 决定 了现 有 的产 品水平 ，产 品质
量的提高必然造成产品成本的大幅提高 ，因此 ，决定通
过 对现 有 系统作 适 当的 改 进 设 计 ，来 改 变 系统 的 动 态
特性 ，以达 到控 制振 动 强度 、解 决 支架 断裂 的 目的 。
对 原 发 电机 压 缩 机 支 座 进 行 了改 进 设 计 ，对 压 缩
机 支架 进 行 了改进 设计 ，用改 进后 的 压缩 机 支架 代 替
原 有 支架 ，得 到 的 系统模 型 如 图 5所 示 。
图 5 改进方案 的 系统三维 模型
改进 后 的前 12阶模态 频 率 如表 2所 示 ，其 模 态 振
型与 改进 前 也基 本 一致 。但 频 率 有 明显上 升 。
表 2 各 模 型 的 模 态 频 率 结 果 (Hz)
从 对应 的各 测点 的位 移 和速 度 的均 方根 值 随转 速
的 变化 关 系 图 6，7中 ，也 可 以看 出 ，改进 后 的 系统 振 动
位 移 和 速度 在 发 动机 转 速 为 4 600 rpm 时 都 有 明 显 降
nlr·m irr~
图 6 改进 后各测点位移 均方 根值 随转速 的变化关 系
在 对 改进 系 统进 行 发 动 机 台 架 实验 后 ，发 现 各 测
点 的振 动位 移 和 速 度 在 发 动 机 转 速 低 于 4 600 rpm 时
都远 小 于 原来 状 态 。在经 过 500 h的 发 动机 台架 疲 劳
寿命 实 验 和海 南 3．5万 km的道 路 可靠性 、耐 久 性 实验
后 ，未 发现 该 处皮 带 异 常 磨 损 和支 架 断裂 的 现象 。从
而证 明改进方案有效合理的。
4 结 论
本文 提 出的改进 方法 ，有效 地解决 了实际汽 车使 用
过程 中出现 的发 电机 压缩机 支架 系统 的破 坏失 效 ，提高
了汽车 的使用 性 能 。通 过实 验 分 析 和解 析 分 析 相结 合
的现代 分 析 方 法 ，准 确 的 识 别 出 了造 成 系统 破 坏 的 振
源 ，并 寻找 出 了传 播 途 径 ，得 到 了破 坏 的 发生 机 理 。通
过有 限元方 法实现 了样机 的虚 拟改进 ，避免 了改 进 的盲
低 。虽 然 在 5 000 rpm 以上 的 高 转 速 工况 振 动 位 移 和
速 度较 大 ，但 由于其 不是 发动 机 的 常用 转速 范 围 ，对 整
个 支架 系 统 的强 度和 寿命 影 响不 大 。
nlr．m in-l
图 7 改 进 后 各 测 点 速 度 均 方 根 值 随 转 速 的 变化 关 系
目性 ，提 高 了改 进 的可 行性 和 有 效 性 ，从 而 缩 短 了改 进
周 期 ，降低 了改进 成本 ，因而具有 广泛 的适应性 。
参 考 文献 ：
[1] 何 渝生 ，魏克严 ，洪 宗林 ，等 ．汽 车振 动学 [M]．北 京 ：人 民
交 通 出版 社 ，l99o．83—87．
[2] 陈 家 瑞 ．汽车 构造 (上 册 )[M]．北 京 ：人 民交 通 出版 社 ，
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[3] 梁价 ．霍拳忠 ．内燃 机 的振 动 问题 [M]．天津 ：天津 大学 出
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(下 转 第 131页 J
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一
第 26卷 第 2期 李远睿 等 ： 氢对 Ti—Al—V钛合金 的冲击韧性及 组织的影响 l3l
Influence of Hydrogen on Im pact strength and M icrostrcture
of the Titanium Alloy Ti— Al— V
LI Yuan—rui， HUANG Ben—duo， HE Qing—bing
(College of Materials Science and Engineering in Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Absract：After analyzed and tested the composition，microstructure and the mechanical property for the forging timber of the
titanium alloy Ti— Al— V，Processed it into lash test samples ，an d made the samples having different hydrgen— content by
the way of artificial hydrogen—absorption．Next，measured the impact strength vaules(ak)of the titanium alloy in different
hydrogen—content，and drawn the relation curve between the impact strength an d the hydrogen— content．
Afertwards，four samples and themselves impact fractographies whose hydrogen— contents are 48ppm ，137ppm ，361ppm
and 666ppm have been used for phas es an d the sweep electom micros copes，Known micro structure s and shapes of the
hydro genate of the different hydrogen —— content tianium alloy an d that the hydrogenate is sheet and its distribution in the
titanium alloy．
Key words：hydrogen；titan ium alloy；impact strength；microstrcture
(上 接 第 109页 )
(责任 编辑 陈移峰 )
Fracture Occurrence M echani sm and Control M easure Research
of Generator and Com pressor Bracket
)(1ONG W ei， DENG Zhao—xiang， CHU Zhi—gang， LIU dian
(State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Abstract：During a minibus’S practical road driving and engine test咄 test for vehicle and engine reliability，the phenomenon
of generator—compressor bracket fracture appears and leads the generator—compressor—cran kshaft belt rupture ．It seriously affects
the vehicle’S operation performance．The article carries through engine test rig test and an alysis，using frequency and spectrum
technology to identify the bad vibration source comb ining FEA． It also researches vibration’S occurrence， formation，
pro paganda and fracture mechan ism ． Based on this， the authors put forward counterm easure ， which improves the dynamic
characteristic of the system，decreases the vibration intensity an d avoides the fracture of bracket and belt．
Key words：FEA；fracture ；test analysis；resonan ce
(责任 编辑 张小强)
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