（动力机械及工程专业论文）汽车发动机隔振减噪技术的研究.pdf

j a 3 i0 2 ，其中国为发动机激励频谱中最低谐波频率，而多自由度系统中，纯为 系统最高的那个固有频率。同时，还应该考虑系统中横向稳定性，即在满足隔性效率的 前提下，隔振系统的固有频率可适当取得高一些，以免隔振器太软而引起机器摇晃岬j 。 发动机参数确定：需要提供发动机的质量、质心位置以及主惯性轴方向的转动 惯量。对考虑六自由度振动，则需要二个主惯性轴的转动惯量p 引。 选择隔振元件：它包括选择隔振元件的材料、隔振元件的结构、计算隔振元件 的刚度及确定隔振元件的个数。 确定隔振元件的布置。 对隔振元件的性能参数进行优化设计。 检查隔振效果是否达到设计要求。在各工况下，对振动的几个主要方向( 一般选 x ，y ，z 二个方向) 测量其振动烈度的大小，来检验隔振设计是否达到要求。 3 5 2 橡胶悬置的基本结构 橡胶悬置的结构和工作原理较为简单，它一般由金属骨架以及硫化到金属骨架上的 橡胶组成，金属骨架的作用主要是防止橡胶悬置发生过大的变形和作为悬置的连接部 分，橡胶可以提供内摩擦阻尼来衰减振动。由于橡胶悬置结构简单，制造方便，价格低 廉，并且具有相当的隔振减振性能，目前在n v i - i 性能要求较低的车辆上仍有较为广泛的 应用。新设计的发动机橡胶悬置如图3 1 4 、图3 1 5 、图3 1 6 所示，悬置实物见图3 1 7 。 图3 1 4 右悬置三维数模图3 1 5 左悬置三维数模图3 1 6 后悬置三维数模 西华大学硕士学位论文 图3 1 7 新设计的橡胶悬置实物 3 5 3 橡胶材料的动力特性及描述参数 目前动力总成橡胶悬置大量采用的是一种粘弹性材料，当橡胶悬置块受到力的作用 时，其变形往往滞后一段时间。橡胶材料在正弦激励作用下的应力一应变曲线，滞后角 0 介于o o 和9 0 0 之间，这说明有部分振动能量转化为热能。在振动状态下，橡胶材料的 应力一应变循环形成一迟滞回线，这个迟滞回线所包围的面积，即是由于内部阻尼而消 耗的功，代表着一周内所消耗的能量，它与频率无关，因此不与速度成正比。在这种情 况下的阻尼特性，采用复刚度来表示更为合理，即用七( 1 + ，刁) 的复数形式来表示【m 】。 发动机工作时最大位移发生在怠速及突然加速工况，悬置系统的布置属于h a r d s o f t h a r d 模型。因此发动机悬置重点考虑橡胶件，它决定发动机的静动态特性以及隔 振水平，本次实验采用四组硬度不同的橡胶件作对比试验，来优化发动机怠速振动，提 高舒适性。对于发动机的橡胶悬置的材料选取，从工程实际的角度对现有的两种硬度( 刚 度) 的材料进行试验，分别编号为4 8 号与5 4 号硬度。又测取进口样机与原装国产样机 悬置的数据。试验思路：对比不同硬度橡胶件两测点振动情况，以反映不同发动机悬置 的特点。图3 1 8 为不同硬度橡胶悬置在怠速下时间响应曲线。图3 1 9 为加速下不同硬 度橡胶悬置的速度响应曲线。 汽车发动机隔振降噪技术的研究 怠速水平垂直轴向怠遽竖直垂直轴向 图3 1 8 在怠速下不同硬度橡胶悬置上下的不同方向上时间响应曲线 0f 4 暖橡胶悬置 0 f 一5 暖橡胶悬置 0 ，进口机型橡胶艇 a ，原机型橡胶墨置 下的速度响应曲线 图3 1 8 反映了国产原机悬置的隔振水平处在较低级别，4 8 号硬度的悬置在水平方 向隔振水平接近进口原机悬置的水平。图3 1 9 反映了与水平方向类似的特性。由怠速 实验可以看出，橡胶材料的硬度对于发动机在各个方向上的振动影响不同，硬度较低的 橡胶材料在沿水平方向、垂直方向上减振效果较好，怠速时乘客对整车在水平方向上的 振动较为敏感，所以适当调软橡胶件的硬度，可以改善整车怠速舒适性。 右量置蔓l 方向詹i i 璺l 方向 图3 2 0 橡胶悬置在加速下不同硬度悬置的加速度响应图 注1 ) ：颜色代表不同硬度的橡胶悬置，与图3 1 9 代表一致 西华大学硕士学位论文 由图3 2 0 中可以看出，高速时发动机在水平方向上的减振效果来看，硬度较大( 5 8 度) 橡胶悬置在发动机隔振的综合性能优于硬度较小( 4 8 度) 橡胶悬置。 硬度较软的橡胶材料要明显优于硬度较高的橡胶材料。 表3 3 发动机怠速振动数据统计表 车轴方向( g )水平垂直车轴( g )竖直垂直车轴( g ) 进口机车身 o 0 7o 0 30 0 5 ( 汽油) 发动机 1 1 40 3 50 7 8 4 8 度车身 0 1 lo 0 30 0 5 橡胶件 发动机 1 2 00 2 4o 9 0 一 原机车身 o 0 6o 0 5o 0 6 橡胶件 发动机 o 7 40 9 61 3 7 5 8 度车身 o 1 30 0 40 0 4 橡胶件 发动机 1 2 50 1 91 0 1 理论上隔振系统的固有频率越低，越有利于隔振，而要得到较低的固有频率，就需 要有较大的静态压缩量，这就需要采用较软的橡胶材料，我们所作的实验也证明这点， 但同时较软的橡胶材料在高速时的缺点也得考虑，应通过计算和设计，来找到最佳的平 衡点，并用实验验证其正确性。， ， 3 6 发动机橡胶悬置的仿真计算 根据工程实际情况，对原橡胶悬置进行结构设计，新橡胶悬置还是针对原橡胶悬置 所匹配的发动机而设计的。对于橡胶悬置而言，它是一个三维实体，承受三向的力，其 变形情况比较复杂。为了在振动分析中简化其力学模型，我们作如下假设。 忽略橡胶悬置变形中产生的角位移，认为橡胶悬置存在三维弹性中心。因为在 动力总成悬置系统中，各悬置的尺寸大小相对悬置块之间的距离要小得多；故各悬置块 本身产生的复合力矩很小，即角位移很小，因此可以忽略，橡胶的三维弹性中心总是存 在的。+ “ 橡胶悬置相当于由于相互正交的二维弹性材料组成，橡胶悬置具有三向复刚度。 橡胶悬置的各向刚度和损耗因子在均为常数。 3 7 汽车发动机隔振降噪技术的研究 对于橡胶悬置的仿真分析计算与分析，主要采用了a n s y s 动力学仿真分析模块与 l j 垤s 1 a b 噪声与振动分析模块。主要分析了悬置的正弦力下的力响应分布、模态振型、 受力分布，刚度变化曲线，支反力曲线。 图3 2 1 右悬置在3 0 0 h z 频率正弦力作用下的响应云图图3 2 2 右悬置的最主要的一阶响应模态 振型 图3 2 3 右悬置一阶频率响应速度矢量图图3 2 4 左悬置的受力分布云图 图3 2 5 左悬置一阶频率响应速度矢量图图3 2 6 左悬置受单点正弦力响应云图分布 以下是左、右、后悬置仿真计算下的刚度变化曲线结果： 3 8 x 0 4 & t 置z t a l 6 z ( - ) 图3 2 7 左悬置z 向刚度曲线 ，1 0 4 毛量i t 方 5一l - s5i 1 5 t ( - ) 图3 2 9 右悬置y 向刚度曲线 蔚量置z 方 ，| 。 。| ? 。 一 “ 一j 二二j 一 。 。 。 “一一 。+ _ ，一+ + 一v 一 o 6 0 4 0 0 2 毫 2 - 4 8 0 0 o o z ( - ) 图3 2 8 后悬置z 向刚度曲线 毛暑萱z 方自 一1 4 1 2 1 一- 6 - 4 - z 2 z ( - ) 图3 3 0 右悬置z 向刚度曲线 以下是左、右、后悬置仿真计算下的受最大力随发动机转速变化曲线结果： 发动囊姥tc r n m ) 图3 3 1 左悬置z 向动反力曲线 岔 v 捌 g 蕞 世 胥 匹 t 4 3 9 发动囊姥毫r i m ) 图3 3 2 后悬置z 向动反力曲线 汽车发动机隔振降噪技术的研究 袅动t r 3 , l 匣p ”日 图3 3 3 右悬置y 向动反力曲线 嗣蛊非最佐，蔷器盖参槲遗一f 】内靖威力童| 】哆t 馆 x 柳帆抟1 l , m , t 图3 3 4 右悬置z 向动反力曲线 从仿真分析的结果可以得到的结果：根据动态分析的结果可以为后面的橡胶悬 置在整车布置中提供理论分析依据。也证明所设计的橡胶悬置结构形状与力学特性满足 发动机整车匹配要求，具体匹配需要与整车设计结合。仿真计算所提供的刚度曲线 与力学曲线都在发动机减振的理想范围内。 3 7 改进后的橡胶悬置的测试结果 总结橡胶悬置改进前后的实验结果可以得到如下图所示： 0 3 5 n 3 - 0 2 5 喇仉2 幸u 1 b 0 1 0 呖 0 + 膏设计 厂 - - i - - 原机型 r ，l “7 一 入人 v 7 、 d5 0 0】0 0 01 5 0 02 0 0 0为3 0 0 转速lz p z ) 图3 3 5 左悬置传递率曲线图3 3 6 右悬置传递率速度曲线 0 4 5 0 4 0 3 5 w r 0 3 喇0 2 5 幸0 2 0 1 5 0 1 0 0 5 0 |、 、 i 气 夕 、一 一，j 、 1 一 一1 05 0 0 1 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 0 3 0 0 0 转速z - p 1 ) 图3 3 7 后悬置传递率曲线 4 1 汽车发动机隔振降噪技术的研究 4 油底壳的模态实验与结构改进 4 1 油底壳振动与噪声的影响因素分析 发动机表面噪声是发动机内部的燃烧过程和结构产生的噪声，是通过发动机外表面 以及与发动机外表面刚性连接的零件的振动向大气辐射的。按发动机表面噪声产生的机 理，又分为燃烧噪声和机械噪声。本章研究的主要是油底壳机械噪声。它是发动机工作 时各运动件及运动件与固定件之间作用的周期性变化的力所引起的，它与激发力的大小 和结构动态特性等因素有关h 圳。 为使发动机表面辐射噪声减小，除了在燃烧激振力和机械激振力的产生根源上采取 措施之外，还要在这此激振力的传递途径上和表面辐射噪声的效率方面采取措施，最终 达到有效控制发动机噪声的目的。为此，需要研究激振力和结构响应之间的关系、表面 振动与辐射噪声之间的关系以及发动机表面噪声的分布状况等方面的问题。 发动机结构为一复杂的机械系统，可视为多自由度振动系统，其激振力和结构响应 之间的关系可通过脉冲响应函数来确定，也可通过有限元计算或试验模态分析的方法来 确定发动机结构的主要阶次模态参数，其中，固有频率和振型对控制发动机噪声有特别 重要的意义。因为结构以某一阶模态振动时，将在其辐射噪声频谱上出现下一个峰值。 若峰值过高，则将对整个结构辐射噪声的强度产生较大影响，此时可考虑根据该阶振动 的形状采取相应的措施，以改变该阶模态的固有频率、阻尼、刚度和质量分配等，使结 构的固有频率向不易策动共振的区域偏移l 3 6 。 4 2 油底壳的动态分析 4 2 1 理论与问题背景概述 合成油底壳比普通压制油底壳在减噪性能方面有很大的优势。合成油底壳分三层， 两层金属钢板加中间一层粘弹性( v i s c o d a s t i c ) 材料，其中间材料的厚度大概为0 6 r a m 。 这种合成油底壳对消除噪声及振动能量有非常大的好处，它主要通过三层材料的变形， 主要是中间材料的变形来消除能量。油底壳的台阶深度比率为0 6 5 是在正常的范围内， 根据权威数据其值可以达到o 8 9 。然而根据此款发动机的n v h 实验测试，此合成油底 壳在发动机底部的减振降噪方面并没有比传统的压铸油底壳体现出明显的优势。根据理 论分析与仿真计算，此油底壳在结构设计方面存在很大的缺陷。因此，一个合理化的合 成油底壳设计是很有必要的。合成油底壳的设计与压制油底壳的设计有较大的差异。平 直的面需要较低的刚度。因此平直面上加强筋应该减弱或取消，而侧面与下陷的底面的 西华大学硕士学位论文 倒角应该减少以使平直面增加，同时最深下陷的面与次深下陷面之间的刚度应该增加， 主要处于模态振型方向与比例大小的考虑【了7 1 。 根据新晨公司委托的a v l 公司在改进原机前所出原机摸底试验报告，发现原汽油 机油底壳的振动较为剧烈，特别是油底壳上的凸台位置振动异常，测试声学实验结果显 示油底壳对整机噪声贡献率达到8 以上，根据一般同机型的先进水平应该控制在5 以 下1 2 j 。所以很有必要对原机型的油底壳进行改进与优化。考虑到原机型的油底壳的薄板 很薄，表面观察其加强筋分布也不合理，刚度低等，这些因素造成原来噪声辐射面就比 较大的油底壳n v h 特性变地更差。 为了解决顾客的抱怨与确保油底壳正常n v h 特性，以对整机减振降噪水平做出贡 献。我们对基础设计方案进行了动力计算分析，采用混合建模方式( 即简易力学模型与 模态试验结合) 。同时对力学模型进行实物模态试验拟合校正，得到模型动力特性参数。 通过模型测试分析结果，预先对原型基础动力特性设计合理性进行初步评估，有助于最 佳设计方案的确定，以优化油底壳的设计质量、刚度、阻尼比。精确、高质量地完成模 型的模态分析试验是十分重要的。 4 2 2 试验方法及内容 。 ( 1 ) 试验系统 图4 1 模态试验测试系统简图与现场 4 3 汽车发动机隔振降噪技术的研究 表4 1 测试关键部件与软件包 t l s t r 11 2l m st e s t l a bm o d a li m p a c t 锤击法模态试验 t l m o d 2 0 2l m st e s t l a bm o d a la n a l y s i s 模态分析，包括m i m o t l o d s 5 0 2l m st e s t l a bo p e r a t i o n a ld e f l e c t i o ns h a p e so d s 分析 t 【忑t r 15 2l m st e s t l a bs p e c t r a la c q u i s i t i o n 常规振动分析( 包括m i m o 采集) p i c s c 阿8 盹ls c s li n t e r f a c ec a r da n d1 8 mc o n n e c t i n gc a b l ef o rp c p c is c s i 接口和1 8 m 连接电缆 3 5 3 8 0 1i c pa c c e l e r o m e t e ri c p 加速度传感器，重1 0 克，灵敏度2 0 m v g ，2 5 0 9 量程 g 5 0 a i ci n t e n s i t yp r o b ec o m p l e t ew i t hh a n d l e 。m i c r o p h o n e s ，s p a c e r s ，p r e a m p l i f i e r se t c w i t h2 c h o u t 丹麦 g r a s s 公司的声强探头及传声器系统 ( 2 ) 测点布置 测点布置依照能较好反映基础结构的型式，又不失油底壳扰力关键点，能够充分显 示结构的较高阶模态振型的点，模态振型点选取尽量与真实结构吻合，接近。因为油底 壳为一小件，根据以往经验与l m s 的理论指导，我们布置了7 5 个点左右。 ( 3 ) 频率响应函数多输入多输出估计法( m i m o ) 以往油底壳的力学模型的模态试验大多采用单点激励多点响应，或者多点激励多点 响应测量频率响应函数。对油底壳这样的结构比较复杂的模型，会产生以下情况：可 能遗漏模态。如激振点在某一阶振型的节点上，则该阶振型便不能被激出若激振点接近 某阶振型的节点，该阶振型的识别误差必然很大。单点激励无法识别重根。对于重根 情况，其对应的模态一般是不相同的，这可能在不同列的频响函数的差别中反映出来。 难以识别非常密集的模态。难以减少结构的非线性因素。 西华大学硕士学位论文 为了避免上述不良情况的发生，基础力学模型试验采用多点随机激振方法进行频率 响应函数的逐一测量分析。 ( 4 ) 模态参数的识别及验证 多参考点模态参数识别法( m i m o ) 是同时利用多个激励点激励所得的若干列频响 函数来进行参数识别，可以有效地克服上述单点激励的有关问题，提高识别精度，保证 识别参数的可靠性。在本次试验中，选用p l o y m a x 模态识别模块进行，依据稳态图( 见 图4 3 ) 进行模态频率和模态阻尼的识别。选用最小二乘复频域方法进行模态振型值的计 算。再利用模态置信因子( m a c ) 和模态参预因了对识别出的模态参数进行检验。 = 堕：垦圣婴= 鱼奥兰：堕堕：= 里堕 萋 图4 3 模态p o l y m a x 法精确提取模态参数( 模态频率、模态阻尼比、模态向量) 4 3 油底壳模态实验结果分析与结构改进 4 3 1 机体结构特性 结构特性主要指振型、固有频率和传递函数。机体及固定在它上面因而受它激振的 部件所辐射的噪声占内燃机表面噪声的5 0 - 7 0 ，所以机体结构优化占有重要的地位。 为了优化机体结构，必须先了解其结构特性，即固有声在机体的传递特性。对于一个确 定的结构，在确定的激振点和响应点之间的传递函数是一个定值。但是激振点或响应点 不同，则传递函数不同；激振力的方向不同，传递函数也不同。传递函数与激振点和响 应点的位置有关。固体声是通过油底壳的上端面与机体裙部连接的，一般情况下是柔性 连接，所以油底壳本身的模态特性很重要。激励的位置与方向与油底壳在整机上的工作 状态尽量接近。l m s 数据处理软件包自己有取平均与加权等功能，这些功能可以减少 人为对测试数据的影响。 4 5 汽车发动机隔振降噪技术的研究 当代发动机油底壳的设计有很大差异性，最大传递函数与最小传递函数之间可相差 3 5 d b ，因此降低机体传递函数的潜力很大，真实的测量结果也是如此，最大传递函数为 3 3 0 0 左右( 量纲为g n ，并取对数) ，最低8 0 左右。最终的目标是通过各种结构措施使 传递函数降到理想水平。 原机的油底壳的刚度较差，安装之后对传递函数的总体频率结构有较大影响，频谱 中起决定作用的那些尖峰大多能找到，通过是改变结果特性使尖峰的频率确变动，使峰 值减少，最终使对整机的影响较小且自身的辐射噪声也降低到理想水平。所以有必要对 每个模态节点的传递函数进行分析，以找到问题所在，为指导改进结构动态特性打下一 个基础。以下是经过筛选后找出很典型的模态节点的传递函数。 ；z ， 誊旦 吵岫一蓦置 ； 帆卿咿 0 。笠漶f i 随昼n l f 基划：斟； 撇帆丛谢 o 舫 屹6 舯 o d d k 西蟾 图4 4 第5 9 点与第2 2 点的传递函数b o d e 图及模态拟合 需要说明的是5 9 模态节点是在z 方向上传递函数最大的点，通过分析找到了最主 要几阶模态振型的参数。第2 2 点是第二大模态振型点。它们都可以理解为振动最剧烈 区域所代表的点。 2 2 一 = 耋呈 ： _ 三量 江0 川茎 图4 5 第2 2 点参照于激励点的传递函数在低频下幅值图 4 6 一 西华大学硕士学位论文 二二一二二_ _ = = = 二二一 图4 6 第2 4 点与第3 1 点的传递函数b o d e 图及模态拟合 机油盘i 的5 9 点所在区域为振动加速度频率响应最敏感也是振动最激烈的区域， 现在重点考察第5 9 点的一阶、二阶、三阶，四阶，m o d e l 5 ，m o d e l 6 频率下的加速度频响 变化曲线，如下图。 4 7 汽车发动机隔振降噪技术的研究 机油盘i 的2 2 点所在区域为振动加速度频率响应次敏感也是振动次激烈的区域， 现在重点考察第2 2 点的一阶、二阶、三阶，四阶，m o d e l 5 ，m o d e l 6 频率下的加速度频响 变化曲线，如下图4 1 0 。 吾里 r + ，c er jf 青f j ，、，气1 7 0 0 0409600 图4 1 0 第2 2 点各阶的传递函数b o d e 图及模态拟合 机油盘i 的3 1 点与3 2 点所在的区域为加速度频响函数最不敏感的部位，也是振动 烈度最不明显部位，先重点考察第3 1 点的加速度频率响应特性。第3 1 点在一阶、二阶、 三阶，四阶，m o d e l 5 ，m o d e l 6 频率下加速度频响变化曲线，如下图4 1 1 。 4 8 西华大学硕士学位论文 二一一 4 9 汽车发动机隔振降噪技术的研究 曲线图显示了连续频率作用的结果，其中机油盘的共振频率为4 3 5 h z 左右，所以主 要的工作在于控制机油盘一阶的振动，可以明显的看出机油盘的几个振型非常明显的环 节，即机油盘振动的薄弱环节，主要体现如图显示的5 9 点，2 2 点所在的区域，而3 7 点，2 2 点所在的区域则没有很明显的加速度的频率响应。还有二阶显示的曲线加速度频 响图与振型图显示结果及薄弱环节与一阶显示的类似。 根据上面的一系列的分析指导了改善油底壳频率响应函数，一般有三种方法：改 善质量分布法，改善结构具体位置刚度法，改进结构的阻尼特性。因为这三种方法 是相互影响的，密切联系。不能单纯的用一种固定的思路来使用，因为涉及到材料属性 一些变化。一般工程上使用比较多的是在具体的位置加加强筋的方法。本文采用此法来 迅速解决一工程问题，其精度也达到了要求。加上加强筋后的油底壳的状态见图4 3 1 ， 其在数模上的位置在5 9 点所在区域，沿油底壳横向加加强筋。以下是在具体位置加加 强筋后的模态分析结果( 选5 9 点来分析) ： 1 8 0 i t 呈 3 4 4 e 3r i - i - 1 -_ 欧洲i 1 p 积朋，趔舭蛾以砒 1 0 0 0 0 r “f 巴k kv 。一一_。一”。“_ = 。：一。：。 图4 1 8 改进后第5 9 点的传递函数b o d e 图及模态拟合 5 0 一 西华大学硕士学位论文 _ = 二= _ 二二一一 第二款油底壳： 图4 2 0 油底壳( i i ) 模型及试验测点布置与某阶模态振型图 机油盘i i 的1 6 点所在的区域为加速度频响函数最不敏感的部位，也是振动烈度最 不明显部位，先重点考察第1 6 点的加速度频率响应特性。第1 6 点在一阶、二阶、三阶， 四阶，m o d e l 5 ，m o d e l 6 频率下加速度频响变化曲线，如下图4 2 1 。 0 0 ，3 毛吕 24 9 e | 。：= 。，f ；j ，。e j l ： 1 8 00 0 i 融瓣 一 。 仨。l 叶一忙一1 一：托。一。l 是r | 【i ri：f 嘞二“一i ；扛土 i i 羳 & 呲 0 0 1n1 1 2 l 第1 6 点各阶的传递函数b o d e 图及模态拟合 汽车发动机隔振降噪技术的研究 机油盘i 的5 3 所在区域为振动加速度频率响应最敏感也是振动最激烈的区域，现 在重点考察第5 3 点的一阶、二阶、三阶，四阶，m o d e l 5 ，m o d e l 6 频率下的加速度频响变 化曲线，如下图4 2 2 。 1 $ 3 0 毛君 5 7 8 e 6竹p i 孵i 。_ 舻1 1 8 00 0 口 1 i州 i ： h i 1 j 、 够 i i一。7 、 k l 1 1、 1 、 l 5 ：一 。ij m可旷、叫 ” 。l；、。、 ，7 一 怖6 2 鱼 l 敝，：!。j 列 _ 1 扎l 7 、 k f = 1 加f 竺蝴 i 1、 0 舯加加 图4 2 2 第5 3 点各阶的传递函数b o d e 图及模态拟合 图4 2 3 一阶振型图 图4 2 4 二阶振型图 西华大学硕士学位论文 从图4 2 3 图4 2 8 模态振型图中可以看出，前面三阶都是在大平面上的上下弯曲振 动，第四阶出现了横向扭曲振动。五阶还是一个大平面部位的弯曲振动，六阶才出现了 一个新的在凸台侧壁面上的弯曲振动，可以判断，此油底壳的弯曲振动是主要的振动形 态，横向刚度相对纵向刚度大，凸台侧壁面的刚度不够。模态振型图给优化油底壳结构 声学特性提供了启发性思路，( 如加加强筋的位置等) 。 以下是在具体位置加加强筋与采用三层合成材料后油底壳的模态分析结果选点5 3 ： 来分析： 嚆 ) 加hz 图4 2 9 改进后第5 3 点各阶的传递函数b o d e 图及模态拟合 图4 3 0 其中一款油底壳的改进后二维草图 5 3 汽车发动机隔振降噪技术的研究 4 3 2 油底壳结构改进前后的模态数据比对 表4 2 两款油底壳优化与改进前后的参数对比 两驱车原机油盘 两驱车改进飙漉氛 四驱车原机油盘 四驱车蘸激扔漉擐 模态频阻尼系懊态频阻尼系模态频阻尼系模态频阻尼系 率但z )数率饵z )数率数霹【( e i z )数 一阶模 4 0 1 6 74 7 54 4 1 7 ，1 石72 6 8 6 10 5 0 2 9 5 6 6 3 4 8 态 二阶模 5 4 7 2 90 0 35 3 - 1 3 51 7 73 1 5 8 90 1 03 4 4 4 6o 6 7 态 三阶模 态 6 0 86 61 2 0 08 3 5 6 71 5 75 4 9 2 329 9s 1 3 如o 0 4 四阶模 9 0 6 9 1 2 8 5 9 1 1 2 22 。9 56 3 80 91 0 27 7 3 4 91 3 6 态 五阶懊 态 1 0 8 6 5 80 7 11 0 9 5 6 7i 0 68 5 70 31 7 6裙8 2 01 5 7 态腧蠛 1 2 1 95 51 1 61 2 2 2 1 82 勰1 0 3 0 7 72 3 71 1 6 i 7 5o 8 2 态 鼗：；。：。：孟。函琏盎盘磊邈 图4 3 1两款油底壳的实物与实验加速度传感器位置及改进前后对比图 图4 3 1 显示此两款发动机油底壳具有壁薄和表面平而大的特点，向外产生噪声辐 射的可能性较大。发动机的工作频率为5 0 h z 2 0 0 h z 之间，所以取了前6 阶来考察油 底壳的模态。 4 3 3 油底壳结构改进及噪声控制措施 增强其刚度，提高其固有频率，通过增加壁厚、加筋、增加中隔板等方法来提高 其刚度，使结构固有频率升高到结构衰减系数较大的区域，从而达到降噪的目的；敷 贴阻尼材料；隔振，在其间使用隔振层；涂加阻尼材料。 西华大学硕士学位论文 除以上措施之外，还可对发动机整机或部分构件采用隔声措施，以满足日益严格的 噪声控制法规的要求。常用的隔声方法有局部隔声、全封闭整体隔声罩和隧道式隔声罩 等l 2 9 。从改进后的结果来看，油底壳的整体的刚度有所增加，模态频率朝着削减峰值的 方向移动，从选取原模态传递函数最大的节点的结果分析，改进后的模态也得到优化。 传递函数峰值减低，特别是第一款油底壳，结构的改进作用相当明显。二款油底壳的整 体动态特性优于第一款油底壳，同时二款油底壳采用了新材料也有一定的改善动态特性 的作用，本次改进采用了增加中隔板油底壳结构。两款油底壳总体传递函数分布趋于更 加合理与平衡。 4 3 4 油底壳结构改进前后的声学验证 通过噪声测量分析，进一部验证本次试验所采取的结构改进措施是成效果。以下是 对油底壳改进前后实测的结果，采用国际上通用的窗口法测量( w i n d o wm e t h o d ) ，排 除其他部件对油底壳的影响，直接测量由油底壳被发动机激励后所发出的噪声水平及占 整机噪声的贡献率。两款油底壳主要振动噪声源与声强分布见图4 3 2 ，此图进一步说明 了两款油底壳的试验模态结果的合理性。由于结构振动较为强烈的区域必然对外产生噪 声辐射，从图中看出壳体声强级最大的区域就是主要的噪声源。 ： 酵1 下露嚣鄹_ f ”帮第q 器鞲鄹。罗曝? 嬲冈阿獭 、鼍? ，谬 喜 量 ； 掣 1 睡 冀 ，0。惫国隧龋劳： 藩： ! ? ；：，。“：? 一 j p j 日 彩霭，嬲。 “p f 雄 黔 镧i 蕊薛4 e ： 霜 誓立盘潼澄b 碰鑫。工话离；醯i4 孽 ”j 秽蛩。飞”8 $ 口帑同移r 孵弼 。r y 。i 黝 凌 i l 遵 墼 番：文 通#墓 ， + 畿 黔 ? m ，。舻。? 囊譬 肇， 二 凄 ，t 一 。t 矗： b 鹧桶癣k_ _ d b b 幽。品龋妇i 船 # 甜盛 图4 3 2 两款油底壳主要噪声源与声强分布 。i l i 【一 叭j 1 j i h l i 耵i y 7 n _ 州一气一 | i 1 v “，h 一 。r 丌1 一 、- ，、- ： f 1 o l l p a n ：7 6 0c i b j k o 3 9 。，。 ii 。 1 j j _ l i 。v ”l - w n 、_ _ 一j ”。咔k俐一 一a 、r r 丌1 r 。、州 ； 图4 3 3 油底壳( i ) 改进前后声强测试数据及占整发动机贡献率 咖几u斟 强 a 3 蓐 p 卫 声 ! 。 硝 a q 几h豳 器 j 五 6 ： 2 声 ! 会 甜 记 破 心 柏 豳 柏 加 汽车发动机隔振降噪技术的研究 _r_-r - t | i1i 一j h e i r v 7 ，i ，坤 h l 噜r _气一 l l h 一l 1 r i p h 州 f 。i ： f 2 一o l l d a n ：7 7 j b d b - 53 。-_ l j 1 一 l 广、，_ r v 7 ，静 - i 一叱一 川l f lmi _ 一j。 - li l - r l 1 。一t ，。 图4 3 4 油底壳( i i ) 改进前后声强测试数据及占整发动机贡献率 图4 3 3 为油底壳( i ) 改进前后的结构声学比对，此图说明油底壳占整体发动机的 噪声贡献率由改进前的5 4 降低到改进后的3 9 ，油底壳整体噪声量有改进前的7 6 4 d b ( a ) 降低到改进后的7 6 d b ( a ) 。图4 3 4 为油底壳( i i ) 改进前后的结构声学比对，此图 说明油底壳占整体发动机的噪声贡献率由改进前的8 3 降低到改进后的5 3 ，油底壳 整体噪声量有改进前的7 9 7 d b ( a ) 降低到改进后的7 7 8 d b ( a ) 。 4 4 本章小结 从两款油底壳的模态动态特性分析数据及最终的声强测试结果看，可以得到以下几 点结论： ( 1 ) 从模态振型图与传递函数分析，第一款油底壳在5 9 与2 2 点处加速度响应函数 最大，那么可以断定此两点所在区域需要强化，需要增加机械阻抗与刚度。第二款油底 壳在上台阶面末段区域与凸包一侧面振动较剧烈，是主要的噪声辐射源，需要重新设计。 ( 2 ) 第一款油底壳的一阶模态频率较大，为4 0 1 6 7 h z ，而第二款油底壳的一阶模态频 率为2 6 8 6 1 h z ，相对较小。可以初步断定，带有大平面的油底壳( i i ) 较油底壳( i ) 的整体刚 度小。而发动机实际工作频率在2 0 0 h z 以内，与第二款油底壳的一阶模态频率相距较近， 容易造成一些谐振。根据经验数据，油底壳的一阶模态频率应该远离发动机的工作频率 范围。所以，油底壳( i ) 比油底壳( i i ) 的n v h 特性好。 ( 3 ) 从两款油底壳的模态数据分析显示：油底壳的主要模态体现在前面几阶，前面 三阶基本上占据整个模态工作性质的大部分。而且基本从频率响应函数结果看，随着模 态阶次的增加，模态的共振峰值呈现减少趋势。 ( 4 ) 从两款油底壳模态数据分析结果看，上下的振动是模态振型的主要表现形式， 而扭曲振动并不是模态振型的主要表现形式。油底壳( i ) 明显的扭曲振动频率体现在第 三阶，油底壳( i i ) 明显的扭曲振动频率体现在四阶。 ( 5 ) 另外，从最终的声强测量数据证实，本论文所采取的n v h 改进措施是有成效的。 阳 柏 西华大学硕士学位论文 5 全文结论与展望 全文结论 本文围绕发动机机内、机外噪声与振动控制技术展开的。在机内，主要进行了油底 壳振动与噪声方面的改进与讨论，先从理论分析入手，然后与实验结合的方式进行研究。 论文采用不同的测试装置与仿真软件对相关性能进行研究。在油底壳的结构优化的过程 中，论文充分考虑了模态振型、模态阻尼、模态频率对油底壳的影响。从模态振型图和 传递函数上找到优化油底壳的途径与措施。在机外，主要论述的是内燃机悬置的动态特 性与匹配设计，论文所讨论的发动机悬置分橡胶悬置与被动液压悬置。其中对橡胶悬置 所进行主要研究是隔振性能改进与匹配设计，最终使得改进后的橡胶悬置的隔振性能有 明显的提高。为了以后发动机乃至整车的n v h 品质有一个飞跃提高，本论文试探性地 开展了被动液压悬置的动态特性分析。取得了三款液压悬置的对比分析结果，对以后被 动液压悬置的配车与选型有一定指导意义。 5 1 1 从实验的角度出发，可以得到以下几点结论： ( 1 ) 整机n v h 的摸底实验是发动机n 品质改进的基础，整个摸底实验重现了 原机的整体及各部件的n v h 水平。从1 米噪声数据看，发动机噪声处于同类机型中等 水平。通过声强测量，进行了声源识别。从噪声贡献量看，进排气系统、油底壳、附件 是主要声源。从振动测量数据看，机体裙部、油底壳、发动机支撑振动较大。燃烧噪声 处于中等水平，无明显异常。 ( 2 ) 第一款油底壳的一阶模态频率较大，为4 0 1 6 7 h z ，而第二款油底壳的一阶模态频 率为2 6 8 6 1 h z ，相对较小。可以初步断定，带有大平面的油底壳( n o 较油底壳( i ) 的整体刚 度小。而发动机实际工作频率在2 0 0 h z 以内，与第二款油底壳的一阶模态频率相距较近， 容易造成一些谐振。根据经验数据，油底壳的一阶模态频率应该远离发动机的工作频率 范围。所以，油底壳( i ) 比油底壳( i i ) 的n v h 特性好。 ( 3 ) 原橡胶悬置方案的传递率很高，悬置的隔振效果较差。优化设计后橡胶悬置方 案的振动传递率在大多数工况下为0 1 附近，满足了车辆舒适性上对隔振的要求，隔振 效果较好。 ( 4 ) 浮动解耦盘式液压悬置在低频域中展现了的动刚度峰值。虽然在低频域内的直 动式动刚度比浮动式略微大，但是在较高的频域内，直动式动刚度增加较浮动式迅速， 而且下降也较快。纯阻尼孔的悬置的动刚度比其他两种悬置都要大，同时显示在高频域 其动态特性比其他两种都“僵硬 。 汽车发动机隔振降噪技术的研究 5 1 2 从理论分析角度出发，可以得出以下几点结论： ( 1 ) 从两款油底壳的模态数据分析显示：油底壳的主要模态体现在前面几阶，前面 三阶基本上占据整个模态工作性质的大部分。而且基本从频率响应函数结果看，随着模 态阶次的增加，模态的共振峰值呈现减少趋势。从两款油底壳模态数据分析结果看，上 下的振动是模态振型的主要表现形式，而扭曲振动并不是模态振型的主要表现形式。油 底壳( i ) 明显的扭曲振动频率体现在第三阶，油底壳( i i ) 明显的扭曲振动频率体现在四阶。 ( 2 ) 由于原发动机橡胶悬置未加有剪切力与扭振力的方向考虑，悬置在克服发动机 振动的各项异性比较欠缺，所以导致隔振效果欠佳。由于发动机倾覆力矩的存在，所以 横置发动机的左悬置受拉，右悬置受压，由于平板式悬置无法达到理想的克服拉压力的 影响，所以橡胶悬置的隔振效果也未能充分发挥出来。通过设计发动机橡胶悬置与仿真 计算，得到的理论结果符合整机的隔振要求。 ( 3 ) 从三种悬置中选一款悬置去匹配发动机与整车，需要根据不同发动机的工作特 性与道路激励谱、悬置所需承载力的大小以及成本和可靠性来综合考虑。这样就可以得 到更好的舒适性与经济性。直动式悬置与其他两种悬置比较，在低频域内显示了最好的 动态特性。随着频率的增加，浮动式悬置呈现良好的动态特性。但是可以看出，直动式 悬置比浮动式悬置对激振幅值变化更敏感。三种悬置动刚度都是随着激励幅值增加而下 降。三种悬置的动态特性研究结论可用于指导针对不同车型进行液压悬置的合理选择和 匹配。 5 2 全文展望 现在，内燃机广泛应用十工业、农业、交通运输等各个部门，是汽车、农业机械、 工程机械等的心脏部分。随着对环境要求的不断提高，内燃机的噪声问题越来越引起人 们的注意，它不仅对机器本身带来损害，而且会通过其振动表面向外界环境辐射出强烈 的噪声，危害人类健康。随着生产技术的发展，发动机机体结构有向大型化、高速化、 复杂化和轻量化发展的趋势，由此带来的振动和噪声问题更为突出。从内燃机工业的发 展方向看，噪声是内燃机产品竞争的关键技术指标，开展降噪研究已成为我国内燃机研 发及制造企业当前的一项十分重要而又紧迫的任务。 本项目初步完成后，还需要完成发动机整机n v h 工程化开发的流程规范书编写。还 需要进一步拓展发动机n v h 工程化开发的思路与技术手段。就本论文所论述的几个方面 还需要进一步的完善： 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 油底壳中除了结构改进，还需要从整个材料的选择方面考虑降低油底壳的振动 与辐射噪声，还需要加强噪声辐射预测的研究。 ( 2 ) 橡胶悬置有最大性价比的隔振特性。但是橡胶是一种非线性材料，对其研究借 鉴了很多线性材料的研究方法，还需要完全把橡胶当作一种非线性材料来处理。 ( 3 ) 液压悬置是未来发动机隔振的发展方向，但是由于技术条件的限制与理论的缺 乏，使得国内关于这方面的研究相对不多，所以有待企业、高校等形成产学研的模式走 出一条适合我们国情的发展道路出来。 汽车发动机隔振降噪技术的研究 参考文献 1 孙林国内外汽车噪声法规和标准的发展 j ，汽车工程，2 0 0 0 ，2 2 ( 3 ) ：1 5 4 1 5 7 2 汪建忠工程硕士论文一轻型车用汽油机减振降噪开发 d 成都：西华大学交通与汽车工程 学院，2 0 0 6 3 梁兴雨博士论文一内燃机噪声控制技术及声辐射预测研究 d 天津：天津大学动力机械及 工程，2 0 0 6 4 陈达亮博士论文一发动机整车匹配中的振动噪声识别与控制研究 d 天津：天津大学动力 机械及工程，2 0 0 8 5 彭紫阳硕士论文4 1 2 0 s 柴油机油底壳动态特性研究及改进设计 d 大连：大连海事大学 轮机工程，2 0 0 7 6 贾维新，郝志勇，杨金才发动机油底壳辐射噪声预测方法的研究 j 浙江大学学报，2 0 0 5 0 3 ：2 3 - 2 5 7 赵骞汽油机噪声源识别及噪声控制研究 j 内燃机工程，2 0 0 42 5 ( 5 ) ：4 2 4 5 8 汪建忠，黄海波，等车用汽油发动机减振降噪改进开发 j 西华大学学报，2 0 0 72 6 ( 4 ) ：2 0 2 3 9 汪建忠，黄海波，等四缸汽油机表面辐射噪声源识别 j 西华大学学报，2 0 0 62 5 ( 2 ) ：5 1 5 3 1 0 庞剑，堪刚，何华汽车噪声与振动 m 北京：北京理工大学出版社，2 0 0 6 1 1 喻惠然发动机隔振的研究 j 汽车技术，1 9 9 2 ，9 ：2 3 2 7 1 2 a g e i s b e r g e r ，a k h a j e p o u r ，f g o l n a r a g h i n o n l i n e a rm o d e l i n go fh y d r a u l i cm o u n t s ： t h e o r ya n de x p e r i m e n t j j o u r n a lo fs o u n da n dv i b r a t i o n2 0 0 2 ，2 4 9 ：3 7 1 3 9 7 1 3 j e c o l g a t e ，c t c h a n g ，y c c h i o u ，w k k i u ，l m k e e r m o d e li n go fah y d r a u l i c e n g i n em o u n tf o c u s i n go nr e s p o n s et os i n u s o i d a la n dc o m p o s i t ee x c i t a t i o n s j j o u r - n a lo fs o u n da n dv i b r a t i o n1 9 9 5 ，1 8 4 ：5 0 3 5 2 8 1 4 s h a n g g u a n ，w b ，l uz - h m o d e li n go fah y d r a u l i ce n g i n em o u n tw i t hf l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o nf i n i t ec l e m e n ta n a l y s i s j 3 s o u n dv i b r 2 0 0 4 ，2