硕士论文-东风4BTAA车用柴油机扭振减振器设计及噪声控制研究.pdf

上海交通大学 硕士学位论文 东风4btaa车用柴油机扭振减振器设计及噪声控制研究 姓名：戴建飞 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：郁其祥 2002.2.1 翌堡l 一 东风4 b t 从车用柴油机扭振减振器设计及噪声控制研究 摘要 届前，内燃动力仍然在除飞机之外的交通工具中发挥着主导作用， 其主体地位至今无可动摇。随着技术的不断进步，内燃机的强化程度与 过去已经不可同日而语，这也就意味着其潜在的危险性在不断加大，这 显然有悖于人们的最初期望。另一方面，随着人们生活水平的提高，对 交通工具的要求已经由最初的快捷性第一不断过渡成目前的舒适性第 一。而且，环境污染已经日趋成为广大民众普遍关心的话题，内燃机的 噪声作为环境污染的一个因素，也越来越得到了应有的重视。可以说， 内燃机的振动和噪声是与人们的理想背道而驰的。 扭转振动现象是内燃机轴系装置的重要动力性能之一，扭转振动引 起的轴系噪声、齿轮敲击噪声往往在内燃机噪声中也占据了很大的一部 、，一。 分。j 本课题的提出是应湖北十堰东风汽车有限公司的要求，从扭振角度 j 采取合适的措施，降低其现有的4 b t a a 车用柴油机的总体噪声水平。 文中首先叙述了扭转振动的基本原理、理论计算方法及其实验测量 工具。( 从扭转振动角度来看，降低噪声的主要方法是加装扭振减振器以 、 1 - ，r 一一 控制轴系扭振。因此文章中接掏介绍了扭振对内燃机噪声的影响、扭振 的控制方法以及扭振减振器对轴系扭振的控制作用。 然后，运用扭振减振器的设计方法，介绍了橡胶和硅油两种减振器 摘要 的设计方案，得出了两种减振器的结构尺寸、橡胶硬度和硅油粘度。 在完成减振器设计之后，我们在试车台上安装了橡胶减振器进行了 额定工况和部分工况时的振动和噪声测试。文中介绍了实验装置、实验 方法，并且详述了实验结果和数据分析。f 实测结果表明，橡胶减振器对 扭振控制和降低噪声来说，都是有效果的，但是噪声降低幅度不如某些 文献中介绍的那样大，额定工况下噪声降低o 9 d b 。作者认为，这主要是 因为该柴油机本身的扭振特性很好，因此扭振减振器的作用效果不明显。 v l r 一 由蒯可以得出结论，不能只靠装扭振减振器来达到降噪的目的，必须从 燃烧过程等其他方面寻求进一步的措施。 关键词内燃机，扭转振动，噪声控制，减振器，实验和测斟 t h ed e s i g n o fd a m p e r a n dt h e r e s e a r c h o fn o i s e c o n t r o lf o rt h e t r u c ku s e d d o n g f e n g4 b t a a d i e s e l a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e sa r es t i l l p l a y i n gp r e d o m i n a n t r o l ei nt h ev e h i c l e se x c e p tt h ea i r p l a n e s w i t ht h ep r o g r e s si nt e c h n o l o g y , t h e i n t e n s i f yd e g r e eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei sg r o w i n g m u c h d e e p e r t l l a ni t u s e dt ob e ，w h i c hm e a n s t h a tt h ep o t e n t i a ld a n g e ri sm u c h l a r g e r o b v i o u s l y ， t h i si s c o n t r a r yt ot h ee x p e c t a t i o no ft h ep e o p l e o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h e i m p r o v e m e n ti nt h es t a n d a r do fl i v i n g ，t h ec o z i n e s s o ft h ev e h i c l e h a s r e p l a c e dt h ec e l e r i t ya n db e c o m et h ef i r s tn e e d i na d d i t i o n ，t h ee n v i r o 啪e n t p o l l u t i o nh a sg a i n e dg r e a tc o n c e r nf r o mt h ep u b l i c a sa ni m p o r t a n tf a c t o ro f e n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，t h en o i s eo f t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e si sg e t t i n g m o r ea n dm o r ec a r et h a tw o m l y o fi t w ec a n s a y t h a tt h ev i b r a t i o na n dn o i s e o f t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e si sa no b s t a c l et h a tl i e sb e f o r et h eh u m a n t o r s i o n a lv i b r a t i o ni sa n i m p o r t a n tc h a r a c t e ro fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s ，a n dt h en o i s ei tc a u s e da c c o u n t sf o rag r e a tp r o p o r t i o no ft h et o t a l 一一 n o i s eo ft h ee n g i n e i nt h er e q u e s to fd o n g f e n g a u t o m o b i l ec o m p a n y l t d ，h u b e i ，w es e tu pt h i ss u b j e c tt or e d u c et h et o t a ln o i s ef o rt h e i rn - u c ku s e d 4 b t a a e n g i n e f i r s t ，t h et h e s i ss p e c i f i e st h eb a s i ct h e o r yo ft o r s i o n a lv i b r a t i o na n di t s m e a s u r e m e n t f r o mt h ea s p e c to ft o r s i o n a lv i b r a t i o n ，t h em a i nm e t h o df o r r e d u c i n g n o i s ei st om o u n tt h e d a m p e rb yc o n t r o l l i n gt h et o r s i o n a lv i b r a t i o no f t h es h a f t s oi n s u c c e s s i o n ，t h et h e s i s i n t r o d u c e st h e i m p a c t o ft o r s i o n a l v i b r a t i o no ne n g i n en o i s e ，t h ew a y sf o rv i b r a t i o nc o n t r o la n dt h ee f f e c to f d a m p e r o ns h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o n a f t e rt h a t ，i e x p l a i nt h ed e s i g ns c h e m eo fr u b b e ra n ds i l i c o n ef l u i d d a m p e r t h ed i m e n s i o no f t h et w od a m p e r s ，t h er i g i d i t yo ft h er u b b e ra n dt h e v i s c o s i t y o ft h es i l i c o n eo i la r eg i v e ni nt h ea r t i c l e w h e n f i n i s h i n gd e s i g n i n gt h ed a m p e r , w e m o u n t e dt h er u b b e rd a m p e ro n t h ee n g i n ea n dm e a s u r e dt h ev i b r a t i o na n dn o i s eu n d e rr a t e dc o n d i t i o na n d p a r t i a lc o n d i t i o n s i nt h et h e s i s ，1w r i t es o m ei n t r o d u c t i o no f t h ee x p e r i m e n t e q u i p m e n t a n dt h em e t h o d b e s i d e st h i s ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta n dt h e a n a l y s i sa r eg i v e ni nd e t a i l t h ee x p e r i m e n ts h o w s t h a tt h er u b b e rd a m p e ri s u s e f u lf o rv i b r a t i o nc o n t r o la n dn o i s er e d u c t i o n b u tt l l er e d u c t i o no fn o i s e i s n ta sl a r g ea st h a tq u o t e di ns o m er e f e r e n c eb o o k s u n d e rr a t e dc o n d i t i o n ， t h en o i s ef a l l sd o w n b y 0 9 d b i nm y o p i n i o n ，t h er e a s o ni st h a tt h ei n t r i n s i c t o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h ee n g i n ei sp r e t t yg o o d s ot h ee f f e c to ft h ed a m p e r i v 塑l i 8 n ts 。b v i 。u s - t h e nw e c a l lc 。n c l u d et h a t ，i n 。r d e r t 0r e d u c e t h en 。i s e 。f t h 。n g i n e ，s 。m eo f f l e rm e a s u r e ss h o u l db eu s e d b e s i d e st l l ed 啪p e r ，s u c ha s i m p r o v i n g i t sc o m b u s t i o n k e yw o r d s i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e ，t o r s i 。n a l v i b r a t i o n ，n o i s e c o n t r o l ，d a m p e r , e x p e r i m e n ta n dm e a s u r e m e n t v 一 一苎= 兰篁笙 第一章绪论 1 概述 上个世纪，机械工业的蓬勃发展极大程度上改变了人类的生活，以火车、汽车 和轮船为代表的交通运输行业使得地球俨然成了一个巨大的村庄，人类活动变得前所 未有的便利。从此，人类能够从传统的繁重体力劳动中解脱出来，充分享受生活的乐 趣。 目前，内燃动力仍然在除飞机之外的交通工具中发挥着主导作用，其主体地位 至今无可动摇。随着技术的不断进步，内燃机的强化程度与过去已经不可同日而语， 这也就意味着其潜在的危险性在不断加大，这显然有悖于人们的最初期望。 另一方面，随着人们生活水平的提高，对交通工具的要求已经由最初的快捷性 第一不断过渡成目前的舒适性第一。而且，环境污染已经日趋成为广大民众普遍关心 的话题，内燃机的噪声作为环境污染的一个因素，也越来越得到了应有的重视。噪声 可以说是一种社会公害，它具有多方面的危害。轻则干扰交谈、妨碍睡眠、影响工作， 严重的可以使人的听觉器官受损，造成噪声性耳聋，对神经系统、心血管系统、胃肠 道系统等产生不良影响。另外，高频噪声会造成结构物声疲劳，使建筑物和仪器设备 受到损伤。内燃机噪声主要集中在中、低频，为防止噪声污染环境，国内外都制定了 许多有关噪声控制的标准和法规，并且愈来愈严格。同样，噪声水平已经成为衡量机 电产品性能的一项重要指标，将直接影响其在市场上的竞争力。 扭转振动现象是内燃机轴系装置的重要动力性能之一。由于它有可能产生严重 的损坏事故，因此为各国动力装置设计制造者所重视。另外，扭转振动引起的轴系噪 声、齿轮敲击噪声往往在内燃机噪声中也占据了很大的一部分。轴系装置之所以会产 生扭转振动，其重要因素首先是在于轴系本身是一细长的金属构件，它不但具有惯性 特性，而且还具有弹性特性，这种惯量与弹性的适当组成使构件具有固有的扭转振动 特性。而作为动力机的内燃机，由于其工作的周期性性质，使得作用于轴系上的扭矩 为一周期性的复谐次扭矩，因而形成激励。当激励的频率与其固有频率相同时就会产 生“共振”现象，将使扭转振动得到巨大动态放大，从而大大增大轴系中所受到的扭 转应力1 1 1 0 相应地，由此而引起的机械噪声也将大幅度增强。对汽车动力系统来说， 无论是安全性还是乘坐舒适性方面，这种后果都是应该避免的。 为了避免扭转振动对内燃机轴系产生严重后果，当今，无论汽车、火车、坦克 还是船舶动力装置，一般均进行扭转振动的钡4 量和核算，争取在设计阶段就彻底解决 一苎= 童兰笙 问题。对于已经成型的系统装置，为了减小振动或者降低噪声，就必须从其他方面来 考虑可采用的措施，诸如共振区避让、装扭转减振器等等，使得振动烈度和噪声水平 控制在许可范围之内。 2 国内外现状分析 从十九世纪末到二十世纪初，由于解决实际问题的需要，对扭转振动的分析研 究逐渐深入a 上个世纪，随着电子计算机的飞速发展，在过去手工根本无法实现的、 庞大的数值计算方法逐步成为可能，这些理论研究成果开始进入实用阶段。1 9 1 6 年 德国人g e i g e r ( 盖格尔) 发表了用机械式扭振仪测量轴系扭转振动的文章，开始了扭 转振动的实测试验阶段，此后扭转振动的发展非常迅速。现在国内外都已经开发出各 种电子式的实用扭振测量仪。国外的产品包括有：英国a s s o c i a t e de n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n t s 公司生产的t v l 型扭振仪、美国亚特兰大科学仪器公司生产的 2 5 2 4 2 5 2 l 2 5 3 8 s d 一3 8 0 系列扭转分析仪、美国b e n t l y ( 本特利) 公司的t v s c 扭振 仪、丹麦b 用简谐扭转振动相位诊断故障缸方法是可行的. 3.学位论文 王霆 使用pc机测量内燃机曲轴扭转振动的研究 1998 该论文的重要在于介绍用pc机测内燃机曲轴扭转振动的系统的测量原理、组成及特点.具有阐述了角标器的选用、安装、静态调试及动态调试.列出了测量方法的技术要点:如何对cdm方波脉波宽度进行测量,如何将计数值送入pc机内及并行接口的选用等.最后,对该系统的测量误差进行了估计,结果表明测量精度符合要求. 4.期刊论文 王霆.程鹏 内燃机曲轴扭转振动微机测量系统 -吉林工业大学自然科学学报2001,31(3) 研究开发了应用pc机对曲轴扭振进行数字化测量的系统,介绍了该测量系统的工作原理、技术特点,并对六缸四冲程增压柴油机的曲轴扭振进行了实际测量.结果较好地反映了该发动机曲轴扭振的实际情况.由于采用了pc机及并行通讯接口,实现了数字化测量,提高了测量精度,具有很好的实时性. 5.期刊论文 舒歌群.吕兴才 内燃机曲轴扭振连续分布模型的计算方法 -农业机械学报2004,35(4) 建立了内燃机曲轴扭转振动的连续体模型和计算方法.首先构建了内燃机曲轴的连续分布当量阶梯轴模型,根据轴段以及集中质量的动能表达式,由拉格朗日方程建立了整个轴系的运动方程,构造了能同时用于某单一谐次或整个轴系合成振动分析的矢量矩阵.计算结果表明,用能量法来分析扭振与实际测量的结果在各主要谐次都保持相当的一致. 6.期刊论文 董大伟.闫兵.谭达明 基于曲轴扭振诊断内燃机各缸作功状况 -西南交通大学学报2002,37(2) 提出依据实测曲轴某一个惯量的扭转振动,反算各缸的平均有效压力,藉以诊断多缸内燃机各缸作功状况.用子空间法找出各缸平均有效压力与测点扭振角度间的传递关系,再用最小二乘法求解矛盾方程,进而得到各缸的平均有效压力.在6135柴油机上验证了所采用方法的正确性. 7.学位论文 麻龙刚 基于遗传算法的内燃机轴系参数识别系统研究 2005 内燃机运转时，曲轴系统受到大小和方向都做周期性变化的切向力和法向力的作用，使曲轴产生强迫扭转振动。由于曲轴系统装有转动惯量很大的部件，所以曲轴扭转振动的自振频率比较低，往往会在工作转速范围内产生共