发动机振动噪声预测中有限元技术的应用

时间：2024-05-20

刘伟，刘鹏飞

山西省太原市中北大学，山西太原 030051

随着人们的生活水平的提高以及人们环保意识的不断的加强，发动机设计方面的问题也逐渐走进人们的视野，并以法律法规等制度作为规范保证日益走向科学化的道路。而且对相关领域产生了重要的影响，特别是汽车行业，同时发动机功率也变得越来越强，与此同时在提高发动机输出功率方面可以从以下方面入手。即改变三个参数，具体来说就是负荷、尺寸和转速。这些对于振动噪声而言，其影响也是非常重要的。其实改变参数方面最先考虑的就是转速，不过转速的立方与噪声强度升高的关系是正比例的关系，因此说着会使得发动机噪声出现骤然升高的局面。为了解决噪声问题，所以世界上许多的国家只能够以硬性的法律法规手段来约束。在欧洲，欧共体就公路车辆的噪声出台了一些法律法规，其中一条是基于ISO 汽车检测程序管控下，对于发动机噪声实施测量，其方法就是在最大转速最大载荷下加速运动时的噪声最大值。而在高速柴油机方面，相关研究显示，假设发动机噪声的主要来源是燃烧噪声，那么对发动机的结构进行冲洗能设计就是降低其噪声的唯一的方式。如果从更大的范围来看，即若活塞的拍击与机械冲击是其主要的，那么可以采用对结构实施重新设计的方法。所以从上述分析来看，最为有效的降低噪音以及振动是采用发动机结构的重新设计。

1 关于有限元模型

有限元网格是基于402 个节点以及618 个单元组成的，涉及实体单元19 个，梁单元182 个，角形平板单元72 个，以及参平板单元345 个。对于发动机整体结构来说它可以分为5 个部分，即气缸盖、4 个缸套组群、气缸体和主轴承盖，不过缸体呈现不对称形式，而且具有诸多的加强筋，基于更好的利用有限元模型以及工作量的减低，则可以重复利用缸体的多处网格。通常情况下，以梁单元来代表加强筋，不过需要注意的是板单元与梁单元的边界条件，因为他们是垂直关系，不同单元的自由度是不同的。有限元分析中质量和刚度是缸盖的一个非常重要的问题，而对于平板的厚度的确定则是由其它方面来确定的，即静态变形实验与实验材料强度。需要注意的是未安装缸盖时，保证缸体上部的刚度远大于下部，因此实施发动机有限元模拟时，相对于缸体上部，其余部分的网格是实行的精细化的划分。其实下部的振动特性以及变形远比上部重要。

2 静态分析

对于每一个气缸燃烧室而言，其上表面由缸盖形成，而汽缸垫是用于密封缸盖与缸体之间的缝隙的。而且其作用是多方面的，譬如密封冷却水以及润滑油等，与此同时汽缸垫还需要承受连接处的热变形以及机械变形等，基于对密封效果的考虑，需要保证施加在汽缸垫上的压力的一致性。这牵涉到缸盖螺钉的预紧，由于此问题的复杂性造成了优化预紧螺钉的难度。通常情况是拧紧螺钉，缸体就会相应的发生变化，从而造成振动和噪声问题，因此要对缸体实施静态分析，若汽缸盖螺钉预紧，不同的预紧力是如何的。气缸垫和螺钉均可在有限元模型中表示，进行预紧的话就会产生汽缸垫载荷以及均匀施加在去哪不螺钉上的压力载荷，至于压力的大小则是由数据给出，螺钉的拧紧力矩才是唯一性的实验数据，而且可以计算出其压力数据的。除此之外，若主轴承的中心不能够在一直线上，则主轴承、轴承盖与曲轴间会形成一种摩擦力，这种力进而引起曲轴箱的振动，同时辐射出噪声。因此应尽可能的减少中间主轴承于中心线的变形。可以通过实验来获取偏差，同时绘制计算机程序实施计算以及分析，在这个过程中运用了实验条件下相同公式，而且其分析数据与实测数据是具有很高的吻合性的。基于二者差距是在一定范围内的，运用有限元模型，对加强筋的位置进行修正等，从而减少主轴承中心线的偏差。从中心线偏差的静态试验可知，仅仅很小调整发动机结构，即可以减低振动噪声。

3 动态分析

首先测试有机体动态模型，进而测试整体发动机，通过相关的试验以及甲酸的数据可以得知，它们具有较好的相关性。需要注意的是仅垂直于机体外表面的振动才可以辐射出噪声，因此确定机体结构弯曲模态变形很是重要。从加强强度这一方面来说，竖直方向的刚度作用很大，而发动机噪声问题的契机是水平方向刚度，因为水平面上的弯曲变形会造成曲轴箱上形成垂直方向振动。其实若振动方向与机体表面平板垂直，即便是较小的振动也会造成强烈的噪声。其波形基本分为三类，即4 个主要模态，5 个裙部平板模态，3 个局部模态，由其模态振型可知，由上到下缸体的刚度依次递减，也就是说机体底部振动会辐射出噪声，从而引起油底壳的振动，同时把站东传至车身，所以说实施分析机体裙部的模态时，要优化发动机安装位置，同时还要增加加强筋，为了降低振幅还需要研究第2 个主轴承的模态振型。在此为了较好的了解发动机的模态振型，可以利用模态动画，并可以在影像胶卷上实施模态动画分析。由分析可知，对于振动和噪声级别而言，一部分基本的弯曲模态变形是非常重要的。运用有限元的方法制定简易模型，通过它来分析计算基本扭转模态振型和弯曲模态振型，其优点是误差较小，并且构建以及分析也非常的方便。

4 优化调整发动机振动

对于降低噪声而言，通过降低发动机曲轴箱底部的振动是非常有效的。因此可以安装具有较大刚度以及质量的一个底盘，以此限制曲轴箱裙部的过大的变形，从而降低噪声。在机体有限元模拟中，对底盘也做出了一个模型，通过优化调整底盘的质量以及厚度、刚度等来满足质量以及振动要求。底盘的设计以及安装对于曲轴箱裙部的振动具有较强的抑制作用，并且可以减低油底壳形成的噪声。通过分析可以获取了底盘的优化形状，同时对发动机实施测量以及实验，显示振动减少了3dB，由此可见底盘降低噪声的作用是非常明显的。由增加发动机结构刚度来降低噪声，因为这一方法提升了振动的固有频率。