三缸發(fā)動機降振技術(shù)研究

胡延明 孟冬玲 王凱

摘要：現(xiàn)代發(fā)動機向著功率和效率雙高方向發(fā)展，車內(nèi)振動噪聲主要源自于發(fā)動機總成的振動。隨著駕乘人員對汽車NVH特性關注度越來越高，如何降低此部分震動并進行傳遞過程的隔離和切斷時整車設計的關鍵內(nèi)容。根據(jù)三缸發(fā)動機的機構(gòu)振動原理建立有限元模型，并進行仿真分析。對發(fā)動機的振動優(yōu)化進行探討，完成發(fā)動機的減振優(yōu)化過程。為發(fā)動機降低振動，提高汽車舒適性提供參考。

關鍵詞：降振技術(shù);三缸發(fā)動機;NVH;仿真

中圖分類號：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0025-02

0? 引言

汽車NVH的意思是噪音（Noise）、振動（Vibration）和聲振粗糙度（Harshness）[1]，由于它們同時產(chǎn)生和對車輛進行干擾，并且在車輛等機器中不可分割，所以NVH經(jīng)常被放在一起研究。一般來說，所有與汽車振動和噪聲類似的問題都屬于汽車NVH特性研究的對象。以汽車NVH為研究對象，汽車是一個由激發(fā)源（發(fā)動機、變速器等）、振動傳感器（由懸架系統(tǒng)和側(cè)接器組成）和噪聲發(fā)射器（車身）組成的系統(tǒng)[1]。本文以某汽車三缸發(fā)動機為研究對象，運用多體動力學理論分析了發(fā)動機缸蓋、缸體和側(cè)蓋處的振動和噪聲源特性。利用有限元理論分析了氣缸蓋、缸體和側(cè)蓋在振動噪聲源頻段內(nèi)的模態(tài)。最后，利用邊界元法對優(yōu)化后的車身覆蓋層效果進行了預測。從仿真的角度對三缸發(fā)動機機體各部分的模態(tài)進行了研究，并提出了改進措施，對汽車發(fā)動機減振技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1? 三缸發(fā)動機的機體振動噪聲源的仿真分析

1.1 影響因素分析

發(fā)動機的輻射噪聲與結(jié)構(gòu)振動密切相關。忽略噪聲的方向性影響，本文采用1/3倍頻帶分析，該方法適用于分析機械的噪聲。建立在這個基礎上，利用振動速度法確定了輻射噪聲的主要來源。這些部件合成的發(fā)動機總聲功率級，是指用振動速度法得到的各部件聲功率計算合成的整機總聲功率，測量的總聲功率是指發(fā)動機在消聲室中測量和計算的總聲功率。

1.2 整機有限元建立

本文研究對象是三缸渦輪增壓式直列發(fā)動機，發(fā)動機結(jié)構(gòu)與四缸發(fā)動機除缸數(shù)不同，其余皆相同。其缸徑、沖程、連桿長度、缸間距測量結(jié)果分別是75.5mm、81.84mm、 131mm、82mm，如圖1。

本文只對在燃氣壓力激勵下的振動情況做出研究分析，建設的模型主要包含固定件和運動件[2]。本文仿真分析是為了觀察整個三缸機的振動狀態(tài)，同時適用于計算機操作，簡化了局部的細微特征。整個機器由大約55萬個三維實體單元組成的有限元模型以及大約100萬個節(jié)點。由110萬個實體單元和200多萬個節(jié)點組成的曲軸系統(tǒng)，如圖2所示。所用的車身安裝連接件也表現(xiàn)出較強的非線性，也可視為非線性阻尼/彈簧，圖3顯示了一個支撐點的安裝方式，每個安裝點在三個方向上定義了一個連接器。每個方向的剛度和阻尼特性應通過實驗確定。

1.3 邊界條件和載荷

利用Ansys軟件對整個機器模型的自由度進行了約簡，得到了一個方便的約簡模型。本文構(gòu)造子結(jié)構(gòu)的方式是簡化自由度，能有效分析結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度。當發(fā)動機受到激勵引起油盤振動時，發(fā)動機的傳動系統(tǒng)對多個對象進行動態(tài)分析，利用此振動作為邊界條件對油底殼進行頻率響應分析。在軟件中嵌入了發(fā)動機傳動系統(tǒng)的模型，這個模型不是本文的主題，所以不會過多地討論，基于此工況為發(fā)動機的極限轉(zhuǎn)速工況，穩(wěn)態(tài)工況—轉(zhuǎn)速高達6000r/min。大部分油底殼振動通過螺栓從缸體傳遞到油底殼，只需要提取20個螺栓孔的加速度譜曲線即可。由螺栓的加速度頻譜曲線可以看出，在200Hz時出現(xiàn)了一個峰值，原因是在6000r/min的工況下，本文研究的三缸四沖程發(fā)動發(fā)動機點火激勵頻率為：

其中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，N為汽缸數(shù)。

缸外負荷的壓力數(shù)就是被稱為發(fā)動機負荷，通常是由試驗數(shù)據(jù)而來。作用在活塞上的氣爆壓力是其主要作用形式，傳遞路徑為活塞-連桿等機構(gòu)-曲軸，使曲軸產(chǎn)生兩種變形：彎曲和扭轉(zhuǎn)，不平衡振動也就由此產(chǎn)生。

1.4 仿真結(jié)果

計算工況選取1000-5500rpm，間隔500rpm確定為一種工況進行計算，以四個工作循環(huán)為一個完整工期計算，上述研究表明，發(fā)動機振動與輻射噪聲之間的關系與車身振動之間具有獨特的關系。對于特定的振動，使用該振動（或加速度）的均方值的平均值來確定噪聲強度[3]。在標定工況（2200rpm）下發(fā)動機1/3倍頻程中心頻率的振動速度段。在每個1/3倍頻程的中心頻段，振動速度等級較高的部件有飛輪殼、油底殼、齒輪室、進出口管等。由于機體采用非裙部結(jié)構(gòu)，曲軸箱位于缸體與油底殼之間，對缸體底部有一定的約束，因此缸體振動比較不明顯。根據(jù)振動與輻射噪聲的關系，振動較大的部件對輻射噪聲的貢獻較大。

從輸出特性曲線可以看出，所得到的每個1/3倍頻程中心頻率段所對應得到的發(fā)動機振動速度級與試驗所得到的該頻率段輻射噪聲測量結(jié)果基本對應，仿真中振動速度級大的部件在輻射噪聲試驗測試中對應的聲功率也大[4]。具體來看，在630Hz頻率段，該發(fā)動機振動速度級高的部件為進氣管、進氣道、噴油泵、油底殼，對應聲功率測試結(jié)果分別為進氣管（94.00406dB（A））、進氣道（92.83279dB（A））、油底殼（99.28524dB（A））。800Hz頻率段，該發(fā)動機振動速度級高的部件為進氣管、進氣道、噴油泵、油底殼，對應聲功率測試結(jié)果分別為進氣管（99.06042dB（A））、進氣道（95.52941dB（A））、油底殼（99.26717dB（A））。

2? 發(fā)動機振動優(yōu)化研究

2.1 發(fā)動機優(yōu)化整體分析

解耦對于隔振是一種用起來比較方便的措施，它是設計初期原始參數(shù)選取和怎么布置懸架的主要方法。當車速范圍較小時，表示系統(tǒng)固有頻率的上限值和下限值。此外，發(fā)動機裝配系統(tǒng)中的某些頻率可以與車輛的其他部件產(chǎn)生共振，對這樣的一些頻率的范圍也要有所控制。

2.2 發(fā)動機激勵的分析

往復慣性力以及其產(chǎn)生的力矩，作為引起發(fā)動機產(chǎn)生振動的主要擾動;除此之外還有回轉(zhuǎn)離心力以及其產(chǎn)生的力矩;以及顛覆力矩的不平衡的簡諧分量。二次往復慣性力：可見只有二次往復慣性力是不平衡的。通過一系列的計算可知引起發(fā)動機產(chǎn)生振動的主要擾動是：二次往復慣性力和顛覆力矩。四沖程直列三缸發(fā)動機的顛覆力矩組成部分可以從以下兩方面考慮：①混合氣爆燃產(chǎn)生的干擾力矩;②發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)不做軸線運動導致干擾力矩。

對于多缸發(fā)動機，可以通過諧波分析各扭轉(zhuǎn)缸內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生的扭矩，形成扭轉(zhuǎn)振動擾動的平均扭矩和扭矩，如上所述，在周期性擾動力矩的作用下，發(fā)動機曲軸運動包含兩部分[5]。該部分是一個勻速旋轉(zhuǎn)運動具有固定角速度，受平均扭矩Mm的影響用來克服外部阻力扭矩。它使發(fā)動機與被驅(qū)動對象之間不斷旋轉(zhuǎn)，同時以大小相同、方向相反的反作用力對殼體產(chǎn)生影響。這個反作用扭矩是通過發(fā)動機框架傳遞的，因此外殼保持平衡，軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。在局部隔振的情況下，平均轉(zhuǎn)矩使節(jié)點相對于軸系有一定的傾斜度。另一部分是不同頻率的簡單扭轉(zhuǎn)振動，使傳動軸系的扭轉(zhuǎn)振動橫向產(chǎn)生機身的反作用轉(zhuǎn)矩。它橫向振動在一個軋輥，并通過連接，它創(chuàng)造了一個脈動反應扭矩在基地，促使車身構(gòu)件產(chǎn)生振動。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析和評價

全面優(yōu)化結(jié)果的三種工作條件，同時，兼顧到15KM/H時懸掛振動較大，在60-90KM/H時振動較小的動態(tài)反應，經(jīng)驗表明低速顫振是車輛懸架系統(tǒng)設計需要考慮的影響最為深遠的因素，所以需要2000RPM的優(yōu)化結(jié)果作為最終解決方案，和其他條件驗證的激勵下，確定優(yōu)化結(jié)果對其它工況隔振效果的影響程度。①固有頻率分析;②隔振效果分析。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000rpm時，目標函數(shù)是改變了從19.55到17.99，下跌8.7%，取得良好結(jié)果，由表1中數(shù)據(jù)可見除了后懸置y向以外，其他各個方向振動隔離效果好，然后裝上y對動態(tài)反作用力的變化很小可以忽略不記。因此，綜合效果是減少力的傳遞，達到更好的隔振效果。

參考文獻：

[1]張晉新，高文志.三缸發(fā)動機一階往復慣性力矩平衡率對曲軸扭振與表面振動的影響研究[J/OL].機械科學與技術(shù)：1-7[2020-02-21].https：//doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.

[2]于濤.發(fā)動機振動與噪聲成因與解決方法[J].粘接，2019，40（10）：130-132.

[3]李熠帆，吳優(yōu)，馮理.汽車NVH基礎與發(fā)動機影響[J].汽車實用技術(shù)，2019（16）：220-223.

[4]董志斌，蘇麗華，孟芳，唐明，叢日新.汽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)隔振技術(shù)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（12）：271.

[5]Bin Z，? Guo C，? Guo-Quan F. Study on a Semi-Physical Method for Modeling Overall Vibration of an Aero-Engine[J]. Journal of Propulsion Technology， 2016.