（动力机械及工程专业论文）发动机整车匹配中的振动噪声识别与控制研究.pdf

中文摘要 汽车n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ，称为振动、噪声和声振粗糙 度) 性能不仅是汽车舒适性指标，更是整车质量品质的综合体现。然而，国内 正面临对n v h 技术的强烈需求与储备不足之间的矛盾，因此，亟待进行系统深 入地研究。在此背景下，本文针对发动机整车匹配中的振动噪声识别与控制技 术进行了系统研究，主要研究内容及相关结论和成果如下： ( 1 ) 系统讨论了基于边界元法的近场声全息理论及各种重构误差的影响因 素，建立了基于边界元法的近场声全息技术的具体实施流程，通过扬声器实验 证实了这一技术的有效性和优越性。为了抑制近场声全息重构误差的影响，探 讨了截断奇异值正则化方法、t i k h o n o v 正则化方法、l 曲线准则和广义交叉检 验法四种正则化方法的基本原理和特性，在此基础上形成了四种组合正则化方 法，通过数值仿真计算对其精度、分辨率和抗测量误差的能力进行了检验，为 在近场声全息研究中正确选择正则化方法提供了依据。 ( 2 ) 以某型柴油机为研究对象，应用基于边界元法的近场声全息技术成功 地重构了柴油机表面法向振动速度分布，识别出了表面主要噪声源，并应用面 板贡献量分析对其进行了辐射声功率排序，为进一步预估各种噪声控制措施效 果、声场可视化以及结构强度反演研究奠定了坚实基础。 ( 3 ) 针对六自由度悬置系统动力学模型进行了系统理论研究，自主开发了 悬置系统设计程序m o u n t 和内燃机动力学计算程序v i n o ，能够对任意点支承悬 置系统进行设计、评价，并对悬置系统进行激励响应和位移姿态控制计算，为 悬置系统快速有效设计提供了有力工具。对比研究了不同悬置系统模态参数对 隔振性能的影响，指出刚体模态频率是控制悬置系统隔振性能的关键，并以此 为基础提出优化设计策略，应用多目标遗传算法求解了具有非线性、多峰、不 连续特性的动力总成悬置系统多目标优化设计问题，获得了全局最优p a r e t o 解 集，从而能为动力总成悬置系统工程应用提供多种最优解决方案。 ( 4 ) 针对某轻型客车搭载柴油动力总成所出现的低频振动噪声问题，对比 测试分析了汽油和柴油动力轻型客车的n v h 性能，指出动力总成悬置系统是解 决低频振动噪声问题的关键，运用所提出的动力总成悬置系统多目标优化设计 策略及方法成功地开发出了改进型橡胶悬置系统，并通过实车搭载试验证实其 具有良好的工程应用性能。 ( 5 ) 针对柴油轿车及轿车柴油机的噪声控制问题，通过近场声压扫描实验 和声阵列声源识别实验识别出了发动机及车辆噪声主要辐射部位。在此基础上， 提出了针对发动机及车辆的工程上可行的系列降噪措施，并通过实验手段检验 了各种措施的效果，为柴油轿车的n v h 工程控制提供了参考和借鉴。 关键词：发动机：噪声源识别：振动控制；边界元：近场声全息：隔振；优化 设计 i i a b s t r a c t t h ev e h i c l en v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) p e r f o r m a n c ei sn o to n l yt h e i n d e xo ft h ec o m f o r t a b i l i t y , b u ta l s ot h es y n t h e s e so ft h ew h o l ev e h i c l eq u a l i t y h o w e v e r , t h e r ei sac o n f l i c tb e t w e e nt h en e e da n dt h es u p p l yo f n v ht e c h n i q u e si n t o d a yc h i n a u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h ed i s s e r t a t i o nh a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h en p r o b l e m sa b o u tv e h i c l ea n de n g i n e t h em a i nc o n t e n t s ，r e s u l t s a n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t 1 1 et h e o r yo ft h eb e m ( b o u n d a r y e l e m e n tm e t h o d ) 一b a s e dn a h ( n e a r - f i e l d a c o u s t i ch o l o g r a p h y ) m e t h o dh a sb e e nd e s c r i b e di nt h ep a p e r t h ee f f e c ta s p e c t so f r e c o n s t r u c t i o ne r r o r sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ef l o wc h a r to ft h eb e m - b a s e dn a h t e c h n i q u ew a sp r o p o s e d ，a n das p e a k e r - l o u d e r w a st a k e na sa l le x a m p l et o d e m o n s t r a t et h ev a l i d i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h em e t h o d i no r d e rt o r e d u c et h e r e c o n s t r u c t i o ne r r o r sc a u s e db yt h ei n v e r s ep r o c e s s ，t h et r u n c a t e ds i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o na n dt h et i k h o n o vr e g u l a r i z a t i o nm e t h o d ，w h i c h a r et w or e g u l a r i z a t i o n m e t h o d s a n dt h el c u r v ec r i t e r i o na n dt h eg e n e r a l i z e dc r o s s - v a l i d a t i o nm e t h o d ， w h i c ha r et w om e t h o d sf o rc h o o s i n gt h er e g u l a r i z a t i o np a r a m e t e r , w e r ea n a l y z e da n d a p p l i e dt oc r e a t ef o u rc o m b i n e dr e g u l a r i z a t i o n m e t h o d s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x a m p l e sv a l i d a t et h ef o u rr e g u l a r i z a t i o nm e t h o d s f 2 ) t h eb e m b a s e dn a hm e t h o dh a sb e e ni n v e s t i g a t e di n t h en o i s es o u r c e i d e n t i f i c a t i o no fap a s s e n g e rc a rd i e s e le n g i n e 1 1 1 es u r f a c en o r m a lv i b r a t i n gv e l o c i t i e s o ft h ee n g i n ew e r er e c o n s t r u c t e ds u c c e s s f u l l y a n dt h em a i nn o i s es o u r c e sw e r e i d e n t i f i e da n dr a n k e db yt h ep a n e lc o n t r i b u t i o na n a l y s i so fs o u n dp o w e rl e v e l t h e r e c a l c u l a t e ds u r f a c en o r m a lv e l o c i t i e sp r o v i d ea na p p r o a c hf o rt h ea s s e s s m e n to f n o i s er e d u c t i o nm e a s u r e sa n dt h ea c o u s t i cf i e l dv i s u a lr e s e a r c ha n dt h ei n v e r s e p r o c e s so fe n g i n es t r u c t u r es t r e n g t h ( 3 ) as i x d o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ) r i g i db o d yd y n a m i cm o d e lo fe n g i n e m o u n t i n gs y s t e mh a sb e e nb u i l tu p t h e nt h em o u n t i n gs y s t e md e s i g np r o g r a m m o u n ta n dt h ee n g i n ed y n a m i cp r o c e d u r e v i n oh a v eb e e n d e v e l o p e d i n d e p e n d e n t l yt oe v a l u a t et h ed e s i g nc a s e so fa n yp o i n t s - s u p p o r t e de n g i n em o u n t i n g s y s t e ma n dc o n d u c tt h ed e s i g no fm o t i o nc o n t r o la n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h e m o u n t i n gs y s t e md u et oa n yk i n d so fe n g i n ed i s t u r b a n c e s t h e s ep r o c e d u r e sp r o v i d e a u s e f u lt o o lf o rt h ed e s i g no fe n g i n em o u n t i n gs y s t e m s t h ec o m p a r i s o no ft h ee f f e c t s o fd i f f e r e n tm o d a lp a r a m e t e r so nv i b r a t i o ni s o l a t i o np e r f o r m a n c eo fam o u n t i n g s y s t e mh a sb e e nm a d e t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h er i g i dm o d a lf r e q u e n c yi st h e i i i k e yp a r a m e t e ri nt h ev i b r a t i o ni s o l a t i o nd e s i g no fa ne n g i n em o u n ts y s t e m b a s e do n t h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，t h ed e s i g ns t r a t e g yw a sp r o p o s e da n dt h em u l t i o b j e c t i v e g e n e t i ca l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e dt os o l v et h eh i g h l yn o n l i n e a r , u n c o n t i n u o u sa n d m u l t i c o n v e xd e s i g no p t i m i z a t i o np r o b l e mo fa ne n g i n em o u n t i n gs y s t e m t h eg l o b a l p a r e t os o l u t i o ns e t sw e r eo b t a i n e d a n dt h a tw i l lp r o v i d ed i f f e r e n to p t i m a ld e s i g n c a s e sf o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fa ne n g i n em o u n ts y s t e m ( 4 ) i no r d e rt os o l v et h el o w e r - f r e q u e n c yn v hp r o b l e m sa b o u tal i g h t d u t y d i e s e lp a s s e n g e rc a r r i a g e ，t h ev e h i c l ei n t e r i o rn o i s ea n dv i b r a t i o nw e r e m e a s u r e da n d a n a l y z e du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i e s e le n g i n e m o u n t i n gs y s t e mi st h ek e yi s s u eo ft h en v hc o n t r 0 1 t h e nt h ep r o p o s e do p t i m a l m e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ed e s i g np r o c e s so ft h ed i e s e le n g i n em o u n ts y s t e m f i n a l l y , t h en v h p e r f o r m a n c eo ft h el i g h t - d u t yp a s s e n g e rc a r r i a g ew i t ht h eo p t i m i z e d m o u n t i n gs y s t e mw a sp r o m o t e dg r e a t l y ( 5 ) t om e e tt h en v hr e q u i r e m e n t so fd i e s e lp a s s e n g e rc a r sa n dp a s s e n g e r - c a r d i e s e le n g i n e s ，t h en e a r - f i e l ds o u n dp r e s s u r es c a n n i n gm e t h o da n dt h ea c o u s t i ca r r a y w e r eu s e dt oi d e n t i f yt h em a i nn o i s es o u r c e s b a s e do nt h er e s u l t s ，as e r i e so fn o i s e c o n t r o lm e a s u r e sw e r ei m p l e m e n t e dt os o l v et h ev e h i c l en v hp r o b l e m s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dm e a s u r e sa r ee f f e c t i v ef o rt h e n o i s ec o n t r o lo fd i e s e lp a s s e n g e rc a r s k e yw o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，n o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n , n o i s ec o n t r o l ， b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，n e a r - f i e l da c o u s t i ch o l o g r a p h y , v i b r a t i o n i s o l a t i o n ，d e s i g no p t i m i z a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗叁堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豫乡毛签字日期：- 2 驴毯年& 月乡j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇诱逆亳 签字嗍妇& 月弓1 【日翔 月 忻归少 名 弧 粥 醐 师 孚 翩 辩 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的 热能直接转换为动力的热力发动机。1 9 世纪末，内燃机的发明和应用为汽车、 机车、船舶提供了动力，并导致了飞机的发明，使人类交通运输业的面貌发生 了巨大的变化，更促进了机械制造业的巨大发展。然而，以内燃机为动力源的 动力机械，自诞生之日起就面临着振动噪声问题。早期的汽车只是富人的玩具， 因为其振动感觉甚至超过现代拖拉机的水平，其噪声对环境的影响也非常剧烈。 当时，如要开车上路，必须提前一周布告通知，以减少汽车噪声对周围居民的 影响。随着振动噪声问题得到缓解，汽车的舒适性大幅提升，汽车才真正进入 了普通人的生活。 据美国汽车及装备制造协会( m e m a ) ( 2 0 0 7 - - 2 0 0 8 全球汽车市场报告显示， 2 0 0 5 年全球汽车保有量已经达到7 8 9 8 亿辆。而另据世界汽车制造商协会( o i c a ) 公布的数据显示，2 0 0 7 年世界汽车总产量为7 3 1 0 1 7 万辆，预计未来几年的年 平均增长率为6 ，到2 0 11 年将达到9 2 3 0 万辆。随着汽车工业的发展，人们对 汽车的舒适性和振动噪声控制的要求也越来越严格。一方面人们希望购买的汽 车更加安全和舒适，最近针对北美汽车用户的调查显示，人们在购买汽车时最 看重的汽车性能参数，排在第一位的是安全性，第二就是舒适性，而这两者都 和汽车的振动噪声问题密切相关。另一方面，随着汽车保有量的增加和环保意 识的增强，人们希望在享受汽车带来便利的同时，又不会失去宁静的生活环境。 据国外有关资料表明，城市噪声的7 0 来源于交通噪声，而交通噪声主要是汽车 噪声，它严重地污染着城市环境，影响着人们的生活、工作和健康。因此，欧 美日发达国家自上世纪七十年代开始就制定了相应的汽车噪声法规 ，如图卜1 和图1 - 2 所示。从图中可以看出，发达国家对轿车噪声的限值平均每十年就要 严格2 分贝，而对载重货车噪声的限值平均每十年要严格3 分贝。法规限值和 消费者需求的双重压力，使得世界汽车巨头对振动噪声问题给予了极大关注。 自2 0 世纪9 0 年代以来，丰田( t o y o t a ) 、通用( g m ) 、福特( f o r d ) 、克莱斯勒 ( c h r y s l e r ) 等大汽车公司的工程研究中心专门设立了n v h 分部，集中处理汽 车的噪声( n o i s e ) 、振动( v i b r a t i o n ) 和来自路面接触冲击的噪声声振粗糙度 ( h a r s h n e s s ) o 第一章绪论 一 2 w _ 墨 囊 纛 型 飘 甓 窘 毽 u 薯 鼍 t t 謦 耢攀 图卜1 汽车加速行驶车外噪声限值变化( m i 类) 熏型赞攀 1 5 9 k w 图卜2 汽车加速行驶车外噪声限值变化( n 3 类) 注： ( 1 ) 箭头表明欧盟在1 9 8 5 年对噪声测量方法有一个改变。对卡车而言，相应标准要更严格2 4 d b ( a ) 但是，对轿车而言，相应要求则宽松了2 d b ( a ) 。 ( 2 ) 在美国，联邦政府对轿车的噪声限值一直没有法规限定，但一些州则制定了8 0 d b ( a ) 或8 4 d b ( a ) 的噪声限值。 ( 3 ) 重型货车限值数值增加了6 d b ( a ) ，以补偿扩大两倍的测量距离( 1 9 8 0 年以前的为加州限值) 。 图1 - 1 和图1 - 2 同时表明了我国汽车噪声法规的发展历程。从图中可以看 出，我国汽车噪声法规的制定起步较晚，并在一定时期内没有得到持续性的修 订。仅仅自2 0 0 2 年以后，才开始加快了噪声法规修订的步伐。目前，轿车的噪 声法规限值水平已同国际接轨，但重型货车的噪声限值还处于发达国家九十年 代的水平，仍有3 - 4 分贝的差距。由于噪声法规的不断发展是推动汽车振动噪 声控制技术进步的直接动力，因此，我国汽车噪声法规缓慢的发展历程反映出 国内汽车企业在振动噪声控制技术方面没有进行长期地积累和持续性地提升。 然而，随着我国汽车总产量跃居世界第三位，中国已经成为了世界汽车生产大 2 瞬孵既盼珀绍强兹， 第一章绪论 国，正准备迈向汽车强国。中国汽车尤其是自主品牌汽车要想走向世界，同国 际巨头竞争，就必须不断提高自身的品质，而振动噪声特性正是最易为消费者 所直接感受到的指标参数，也是汽车综合品质的最直接体现。因此，国内汽车 企业和研究机构必须高度重视汽车振动噪声控制技术的研究和积累。 汽车n v h 是指n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 声振粗糙 度) ，由于它们在车辆等机械中是同时出现且密不可分，因此常把它们放在一起 进行研究。一般而言，与汽车振动噪声相关的所有问题都属于汽车n v h 特性研 究的范畴。从汽车n v h 的观点来看，汽车是一个由激励源( 发动机、变速器等) 、 振动传递器( 由悬挂系统和边接件构成) 和噪声发射器( 车身) 组成的系统。 汽车的噪声源主要包括发动机、进排气系统、高速行驶时的风噪声、轮胎噪声 和其它任何运动部件可能发出的噪声。汽车的振源主要包括发动机、传动系统 和不平的路面。在汽车所有的振动噪声源中，发动机及其总成的振动和噪声是 控制整车振动噪声水平的关键所在。因此，国内外学者对发动机及其总成的振 动噪声问题予以极大关注，并不断采用新方法和新技术进行研究和控制。其中， 针对发动机及其总成的振动噪声控制技术主要来自如下三个方面：1 ) 隔离发动 机及其总成的振动，减小发动机传递到车架的激励力：2 ) 识别发动机本体主要 噪声源，降低发动机及其总成的本底噪声：3 ) 对发动机及其总成进行整体隔音 降噪，阻隔噪声传递。 1 2 内燃机振动隔离技术国内外研究现状 内燃机振动隔离技术的发展，集中体现于汽车动力总成悬置系统隔振技术 的进步。汽车动力总成悬置系统一方面应具有良好的隔振作用，尽可能降低动 力总成和车架之间的双向振动传递。同时，它又承受着动力总成的全部质量， 在受到各种干扰力( 如制动和加速等) 作用情况下，应能有效地限制动力总成 最大位移以避免与相邻部件发生碰撞。因此，动力总成悬置系统性能的优劣 直接影响到汽车的平顺性、舒适性、安全性和耐久性等，是汽车关键子系统之 一。它的发展主要体现在两个方面：一是隔振元件：二是悬置系统设计方法。 如下将对这两个方面的发展及其研究现状进行详细论述。 1 2 1 隔振元件 汽车诞生之初，动力总成被直接用螺栓刚性地固定在车架上，发动机产生 的振动就直接传递到车体。由于这种刚性连接不断引起发动机缸体和支架的损 第一章绪论 坏，于是开始使用皮革、布垫等柔性件来连接动力总成和车架。后来，汽车制 造商逐步开始采用橡胶来连接动力总成和车架 2 】。值得注意的是，人们这样做的 本来目的不是为了减少动力总成振动向车架的传递，而是为了防止曲轴箱和发 动机支架的破坏。直到上世纪二十年代初，随着人们对汽车舒适性要求的提高， 研究人员才开始关注动力总成的振动向车架的传递 3 】。1 9 3 0 年美国人h c l o r d 获得了第一个橡胶悬置垫的专利 4 】，利用橡胶件的减振隔振特性来吸收和隔离动 力总成的振动，从而减小动力总成和车体之间的振动传递。由于橡胶悬置结构 简单、成本低、维护容易的优点，对于汽车行业而言具有巨大的诱惑力，因此 橡胶悬置在汽车动力总成悬置系统中得到了广泛的应用，同时被成功地推广应 用于汽车其它悬置系统中。为了更好地降低振动、提高乘坐舒适性，人们将橡 胶硫化到各种形状的金属骨架上，设计出了各式结构形式的橡胶悬置，从此橡 胶悬置技术取得了巨大发展。 理想的动力总成悬置为了有效衰减因不平路面、加减速和制动工况下引起 的瞬态低频大振幅振动，应具有低频大阻尼高刚度特性：为降低车内噪声( 尤 其是车内b o o m i n g 噪声) ，提高操纵稳定性，应具有高频小阻尼低刚度特性。因 此，动力总成悬置的动刚度特性应是随振动频率而变化的。图卜3 所示为理想 动力总成悬置的特性曲线与传统橡胶悬置的对比。传统动力总成橡胶悬置结构 简单、体积小、成本低，但同时也有阻尼小、刚度偏大及高频动态硬化的缺点， 难以全面满足汽车动力总成在较宽频率范围内对悬置系统的隔振要求，不利于 更有效地提高汽车的乘坐舒适性。因而国外现代中高级轿车已大部分采用了新 一代的液阻悬置( h y d r a u li c a ll yd a m p e dm o u n t ，h d m ) 来取代传统橡胶悬置， 以满足更高的整车性能要求。 嗡 哩 瞍 哩 位移幅值位移幅值 ( a ) 动刚度一频率曲线( b ) 阻尼一频率曲线 ( c ) 动刚度一幅值曲线( d ) 阻尼一幅值曲线 注：_ 一传统的橡胶悬置特性；理想的悬置特性 图1 - 3 动力总成悬置的理想特性曲线 变形 ( e ) 载荷一变形曲线 2 0 世纪4 0 年代，n b s t r a c h o v s k y 5 3 和l e h a r d i n g 6 1 先后提出将液力减振 机构与橡胶悬置组成一体的思想，并申请了相应结构的专利。1 9 6 2 年通用汽车 公司的r e r a s m u s s a n 申请了第一个液阻悬置专利。1 9 7 9 年，原西德大众公司 率先在a u d i 五缸发动机上应用了液阻悬置。与此同时，日本汽车公司对液阻悬 4 第一章绪论 置进行了大量研究，开发了结构新颖、性能优良的液阻悬置。其后，美、英、 法和意大利等国也大力开展了对液阻悬置的研究。液阻悬置是传统橡胶悬置与 液力阻尼组成一体的结构。液阻悬置在低频具有大阻尼、高动刚度特性，既可 有效地隔离、衰减发动机低速时的稳态振动，又可很好地控制、衰减汽车在非 稳态工况下动力总成的大位移冲击运动。在高频率段时，液阻悬置还具有小阻 尼、低动刚度的特性，可在较宽频带范围内满足动力总成的高频隔振要求，降 低汽车在高速行驶中的车内振动和噪声，特别是车腔b o o m i n g 声，明显改善汽 车的乘坐舒适性，并有助于提高汽车的安全性和操纵稳定性。 经过2 0 多年的发展，液阻悬置结构由简单到复杂，控制方式也由被动式发 展到半主动控制式及主动控制，设计生产技术日趋成熟，应用日益广泛，液阻 悬置已成为动力总成悬置未来发展的必然趋势。但是，目前由于制造成本、结 构尺寸及制造工艺等原因的限制，国外在中、重型载货车上以及国内在中低级 轿车上液阻悬置几乎还未得到应用，通常依然采用传统的橡胶材料作为隔振元 件，不过橡胶材料性能、悬置结构形式及制造工艺都有了很大改进。 1 2 2 悬置系统设计方法 动力总成悬置系统一般包含三至四个悬置，整个悬置系统的性能不仅依赖 于单个悬置的特性，还与悬置系统的设计密切相关。悬置系统的设计包括单个 悬置刚度、位置和安装角度的选择。为了使悬置系统获得良好的隔振性能，国 内外学者对悬置系统的设计方法进行了深入的研究。 早在1 9 3 9 年，i l li f e 就提出了悬置系统设计的一些基本原则。2 0 世纪5 0 年代h o r i s o n 和h o r o v i t z 提出了六自由度解耦理论和计算方法，他们将汽车动 力总成和车架视为刚体，并将悬置垫视为纯弹簧，利用动力总成惯性主轴特性 和撞击中心理论阐述了如何调整橡胶悬置的安装位置和悬置刚度，使动力总成 前后悬置的振动相互独立，然后分别按单自由度线性振动系统处理，并认为系 统垂直方向固有频率和绕曲轴方向的固有频率应小于发动机怠速时相应扰动频 率的三分之一，这样可以获得较好的减振效果。这是较早出现的较成熟的悬置 系统设计理论，对于后人的深入研究有着积极的指导意义。 近二十多年，随着计算机技术的高速发展和更有效的振动分析方法的应用， 为悬置系统的设计和研究提供了十分有效的手段，使悬置系统优化设计和仿真 分析得以开展和研究。其中具有代表性的有以下几位学者。1 9 7 9 年，s r j o h n s o n 和j w s u b h e d a r 首次将优化技术应用于悬置系统的设计，以合理配置系统固 有频率和实现各自由度之间的振动解耦为目标函数，以悬置刚度和悬置位置为 第一章绪论 设计变量进行优化计算，结果使系统各平动自由度之间的振动耦合大为减少， 且保证了系统六阶固有频率在所期望的范围内【1 7 1 。1 9 8 2 年，r h r a c c a 以限制 悬置空间、悬置位置、悬置刚度、固有频率和振动解耦等方面来考虑悬置的减 振隔振性能，对传统的f r 式悬置系统设计进行了全面总结。1 9 8 7 年，h h a t a 和h t a n a k a 对怠速工况发动机悬置系统的振动进行了深入研究，指出优化悬 置位置比优化悬置刚度更能获得良好的隔振效果：车身弯曲共振频率应高于怠 速基频，且越大越好：动力总成的共振频率应小于1 2 倍的怠速基频【8 l 。1 9 9 3 年d a s w a n s o n 等提出，以悬置传递力最小化为目标函数来获得直接的最优设 计 9 】o 这一思想同样被应用于n s u r e s h 1 0 】和h a s h r a f i u o n 1 1 】等的研究中。同 年j b r e t l 提出了一种新的动力总成悬置设计方法，它基于振动传递函数来直 接最小化驾驶舱振动响应幅值，而不再考虑悬置系统的模态参数【1 2 】。1 9 9 4 年j h k i m 等研究了汽车底盘弹性对发动机悬置系统动态特性的影响，指出底盘弹性对 发动机悬置系统的模态和频率响应特性有明显的影响，尤其发生在底盘与悬置 系统的模态频率接近时，而当底盘的模态频率逐渐大于悬置系统时这种影响趋 于减弱【i 引。2 0 0 3 年d s s a c h d e v a 和r h a d i 对动力总成悬置系统的设计策略 对车辆n v h 的影响进行了研究，指出基于( 刚性地基) 动力总成刚体模态设计 的悬置系统，能够获得局部最优的整车n v h 性能，但是隔振性能最好的并非刚 体模态完全解耦的悬置设计方案【l4 1 。 国内学者对于悬置系统的设计方法也开展了大量的研究。1 9 8 3 年清华大学 徐石安等人在国内首次对发动机悬置系统的设计及优化进行了研究，编制了发 动机悬置系统刚体振动计算程序【”】。1 9 8 5 年，上海交通大学严济宽教授对动力 机械的隔振理论和悬置系统的设计方法进行了全面系统地论述，为后来国内学 者的深入研究打下了坚实基础【l 剐。1 9 9 2 年，第二汽车制造厂上官文斌和蒋学峰 在国内首次应用优化技术对悬置系统进行了设计，以发动机悬置系统六阶固有 频率的合理配置为优化目标，将弹性中心理论和撞击中心理论应用于悬置设计 参数的约束方程，同时考虑垂直和俯仰方向的振动解耦以及天然橡胶的压缩比 和发动机总成广义位移的限制因索等，获得了较为满意的工程结果 1 7 】。1 9 9 3 年 阎红玉和徐石安首次利用悬置系统自由振动的能量分布矩阵来作为系统振动耦 合程度的评价指标，重点研究了悬置系统的优化数学模型和优化算法，提出采 用d s f g ( 转动坐标轴直接搜索可行方向) 算法可以获得收敛性好、计算可靠的 优化设计结果 18 1 。1 9 9 8 年裘新等对轿车动力总成液压悬置系统参数的优化问题 进行了研究，建立了动力总成液压悬置副车架非线性刚体动力学模型， 考虑了液压悬置非线性的粘性阻尼影响，并以扭矩方向的振动传递率和固有频 率为目标函数优化了液压悬置的三向刚度和阻尼系数，使得怠速振动传递率在 6 第一章绪论 很宽的频率范围内均有所下降 1 9 】。2 0 0 1 年樊兴华等人基于九自由度的整车动力 学模型和六自由度的发动机总成动力学模型，以人体垂直方向加速度均方根加 权值和发动机悬置系统在六个方向的能量解耦为目标函数，从自身振动隔离和 吸收振动两个方面优化发动机悬置系统参数，提高了整车舒适性【2 0 1 。2 0 0 2 年周 徨和靳晓雄从车内噪声控制的角度，探索性地研究了发动机与副车架悬置系统 的优化设计问题【2 。 纵观国内外学者对悬置系统设计方法的研究，主要分为两种优化设计策略： 一是“模态参数”策略，它从悬置系统刚体模态角度提出优化目标函数，间接 优化车辆n v h 性能：二是“直接响应”策略，它从包含动力总成悬置系统的整 车动力学入手，以振动噪声响应最小化为目标函数，直接优化车辆n v h 性能。 两种策略各有优劣，都被广泛地研究并应用于新车开发流程的不同阶段。一般 而言，在新车开发早期由于缺乏详细的整车和部件结构信息，无法建立精确的 整车模型，因此可以利用“模态参数”策略对动力总成悬置系统进行优化设计， 以获得初始最优的设计方案。当能够建立精确的整车模型时，可以应用“直接 响应”策略以悬置初始最优设计方案为优化始点，对悬置参数再次进行优化， 以获得最优的整车n v h 性能。 无论是应用“模态参数”策略，还是采用”直接响应”策略，最终的目的 都是为了设计出隔振和吸振性能优良的动力总成悬置系统。然而，目前悬置系 统设计方法依然无法直接设计出满足工程要求的悬置系统，大量的调校工作还 依赖于试验完成。存在这种现象的主要原因在于，现有悬置系统设计方法还有 如下有待改进的方面：1 ) 未能深入研究“模态参数”策略和“直接响应”策略 之间的对应关系，进而充分利用”模态参数”策略在实际工程应用中的便利性； 2 ) 由于悬置系统的优化设计参数和约束条件繁多，往往使得最终优化结果所提 供的最优方案因实际条件的限制而无法在工程中加以实施，因此如何快速地设 计出稳健可行的悬置系统最优方案，需要进一步研究。 1 3 内燃机噪声源识别与控制技术国内外研究现状 以内燃机为动力源的汽车振动传递和噪声辐射示意见图卜4 。由图可知，汽 车噪声按其来源不同可以分为结构声( s t r u c t u r e - b o r nn o i s o ) 和空气声 ( a i r b o r nn o i s e ) 。结构声主要是指经由汽车发动机悬置、车架悬置和排气系 统悬置传递到车身的激励力，引起结构振动而辐射出的噪声。而空气声则指发 动机本底噪声、进排气噪声、风噪和路噪等经由车身孑l 隙处泄漏到车内的噪声。 其中，结构声一般可以通过动力总成和车身底盘系统的隔振措施来得到衰减。 第一章绪论 而对空气声的控制则需要从两个方面着手： 吸收减弱：二是降低各噪声源的本底噪声， 的控制至关重要。 一是阻隔噪声的传递路径，或加以 尤其是对动力总成系统的本底噪声 甲国人耳位心 砩一 f 。前轮激励 if 。后轮激励 图i - 4 汽车振动传递与噪声辐射示意图 图i - 5 所示为欧盟各阶段主要汽车降噪技术【l 】。透过欧盟汽车噪声控制技术 的发展史可以看出，除了由轮胎产生的路噪由于车速的提高而有所增加外，汽 车发动机的噪声和进排气系统的噪声都随汽车噪声法规限值的不断严格而逐年 降低。其中，进排气系统的噪声控制技术进步最快，在1 9 6 6 年，进排气系统的 噪声幅值达到了8 2d b ，是汽车最主要的噪声源，而到2 0 0 0 年时，进排气系统 的噪声幅值已降低到6 2d b 左右，在3 4 年的时间里减少了2 0d b 。但同期发动 机本底噪声的降低幅度为4d b ，致使其在汽车噪声中的贡献量超过进排气系统， 而仅次于路噪排在第二位。考虑到路噪主要随车速而变化，因此目前发动机噪 声的控制在汽车噪声中占主导地位。 图i - 5 欧盟各阶段主要汽车降噪技术 由于汽车发动机是一种复杂的噪声源，除了气动噪声外，发动机中周期性 燃气爆发压力和运转机械的冲击都会激励起发动机零部件的振动，进而通过结 第一章绪论 构振动表面辐射出噪声。因此，确定运转的发动机上的主要噪声源及其特性， 对其进行识别和排序是内燃机噪声控制的关键。国内外学者及工程技术人员对 此给予了高度关注和深入研究，不断提出新的噪声源识别方法对内燃机的辐射 噪声进行研究，取得了丰硕的成果。 1 3 1 传统噪声源识别方法 在内燃机噪声控制工程中，传统的噪声源识别方法主要有近场声压扫描法、 铅覆盖法、选择运行法、声通道法、表面振动速度法、声强测量法和相干函数 法等。下面将分别介绍这些方法的特点及其适用场合。 ( 1 ) 近场声压扫描法 近场声压法是指在振动表面附近测量其声压级，进而获得近场声压分布图 并计算得到线性声功率级。该方法基于这样的假设，即由于传声器距离所测声 源表面较近，其它声源在其测量结果中所占比重较小，因此可近似估计其噪声 级。但是，这种方法对于复杂噪声源系统由于不同噪声源之间的相互影响和干 涉，导致测量精度较低，只适合于粗略了解噪声源分布的情况。 ( 2 ) 铅覆盖法 铅覆盖法是指发动机表面用铅板加以封闭，逐个暴露出待测零部件的振动 表面，分别测量其噪声级和声功率级，以达到声源识别和排序的目的。由于测 量需要大量铅板并要在精密级的消声室中进行，因此这种方法成本高，经济性 比较差。另外，测试过程需要频繁地停机包裹部件，测量效率低；且低频部分 测量误差较大。尽管这种方法测量精度毕近场声压法高，但受到实际条件的限 制，工程中实施比较困难。文献 2 2 对该方法在内燃机噪声源识别中的应用进 行了研究，提出通过全部覆盖逐个拆除的方法进行测试，可以节约时间，并能 保证获得满意的结果。 ( 3 ) 选择运行法 这种方法是指通过比较拆卸或停转某个部件前后测得的噪声值，来测量该 部件的噪声贡献量。比如，通过拆卸发动机风扇来确定其噪声级。以及在发动 机工作状态和电机倒拖状态( 对于多缸机，可采用灭缸法) 分别测量其声压级， 可近似分解出发动机的燃烧噪声和机械噪声。使用这种方法时，需要停止发动 机某一部分的工作，这将影响到其它部件的运转状况，由于这些因素的影响使 得测量精度不高。 ( 4 ) 声通道法 声通道法是指在不同的声源部件上，运用声学导管来测量其噪声级。这种 第一章绪论 方法可以比较有效地抑制其它声源的千扰，但测量部件本身的制造成本较高， 体积较大，在发动机上使用受到限制。而且目前用导管测量声源部件声功率的 某些理论问题尚未彻底解决 2 3 】。 ( 5 ) 表面振动速度法 由于声压测量法受到测试环境的影响比较大，因此人们开始研究用振动信号 去直接估算其辐射的噪声级。它是基于经典声学理论推导出振动体辐射的声功 率与表面振动之间存在如下关系： = p o c s 矿 ( 卜1 ) 式中，既。为振动体辐射声功率；风为传递声波媒质的密度：c 为声波在该媒质 中的波速：s 为振动体表面积； 表示振动体表面法向振动速度的时空均方 速度：仃为振动体表面辐射系数。对于特定结构而言，表面法向振动速度和表 面积等是一定，声功率估算的关键是如何确定出辐射系数。由于辐射系数盯不 仅与部件的形状和边界条件相关，还与振动频率有关，因此其精确的理论计算 十分困难。多年来，国内外学者对振动体表面辐射系数的研究进行了有益的尝 试，取得了一定的成果。 文献 2 4 为了求得发动机结构表面振动与辐射噪声的关系，将发动机的结 构表面理想化一组平板，它们装在一块无限大的隔音板上，彼此都独立地振动， 相互没有影响。那么由平