（光学工程专业论文）发动机薄壁件结构研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 发动机薄壁件是发动机正时罩、缸盖罩、机油盘等零部件的统称，这些零部 件一般由钢板冲压而成，在某个方向的尺寸远小于其它两个方向的尺寸( 一般小 于1 1 0 ) ，使得这个方向的刚度远小于其它两个方向，薄壁件的模态振型也因此主 要出现在这个方向。薄壁件刚度与模态和振动水平有直接关系，在薄壁件质量一 定的条件下，刚度越大，模态固有频率越高，并远离频率较低的发动机主要阶次 激励，因此振动幅值越小。有研究成果表明发动机薄壁件辐射噪声约占发动机总 体噪声的4 0 至6 0 ，是发动机结构辐射噪声的主要声源之一。开展薄壁件结构 优化设计，建立基于发动机n v h 性能提升的设计准则和分析方法对于在设计开发 阶段降低发动机整体振动噪声水平具有重要意义。 在传统的薄壁件设计中一般采取提高结构刚度、增加结构阻尼以及改善连接 条件等方法实现振动性能目标。本文以发动机正时罩、缸盖罩和机油盘三个薄壁 件为对象，主要研究提高结构刚度的技术措施的有效性及其在设计过程中的应用。 利用模态分析和振动分析两种数字化仿真分析相结合的方法，探讨薄壁件厚度、 加强筋布置、零部件间连接与薄壁件结构刚度以及模态和振动之间的关系。研究 发现增加薄壁件厚度、设置加强筋、改变加强筋的布置方式、采取阶梯截面等技 术措施有助于提高薄壁件结构刚度、改善振动性能。 本文以铃木g 系列发动机为基础，实验验证了增加薄壁件厚度、米字筋、环 状筋、阶梯截面等不同的薄壁件结构设计方案对于发动机n v h 性能改善的作用。 实验结果显示采取上述薄壁件结构形式的发动机的总体辐射噪声降低了0 8 至2 5 分贝，与仿真分析结论一致，证明了仿真分析结论的准确性。 基于上述研究成果，本文总结了薄壁件设计方法，提出了高刚度薄壁件的设 计准则，建立一套能够有效进行高结构刚度薄壁件筛选的工作流程；应用该流程 于铃木g 系列发动机改型设计中，取得了明显效果；获得了部分高刚度薄壁件结 构，积累了薄壁件设计数据，丰富了企业数据库，可指导工程人员在发动机设计 开发早期阶段设计出结构合理的薄壁件。 关键词：薄壁件，刚度，振动，噪声，仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a ct e n g i n ec o v e r si n c l u d e st i m i n gc o v e r , c a mc o v e ra n do i lp a nw h i c hi sn o r m a l l y m a d ef r o mp r e s s e ds t e e l t h et h i c k n e s so fc o v e ri sr e l a t i v e l ys m a l lc o m p a r e dt oo t h e r t w od i r e c t i o n s ( 1 e s st h a no n eo ft e n ) ，t h e r e f o r es t i f f n e s so ft h i sd i r e c t i o ni sq u i t el o w e r t h a no t h e r sa n dt h e nt h em o d es h a p e so fc o v e rp r e s e n ta l o n gt h i sd i r e c t i o n t h es t i f f n e s s o fc o v e rd i r e c t l yi n f l u e n c e si t sm o d e sa n dv i b r a t i o nl e v e l s i nc a s eo fc o n s t a n tm a s s ， s t i f f e rc o v e ro w n sh i g h e rn a t u r a lf r e q u e n c i e sw h i c hl e a dl o wv i b r a t i o nl e v e l sb e c a u s eo f s h i f t i n gi t s e l ff a ra w a yf r o ml o wf r e q u e n c yc o n t e n te n g i n ee x c i t a t i o n s e x i s t i n gr e s e a r c h s h o w st h ep e r c e n t a g eo fo v e r a l lr a d i a t i o nn o i s ef r o me n g i n ec o v e r si sf r o m4 0 t o6 0 o fw h o l ee n g i n en o i s e e n g i n ec o v e r sa r eo n eo ft h em a i ns o u r c e so fe n g i n en o i s e r a d i a t i o n t h e r e f o r e ，i tm a k e ss e n s et oc a r r yo u tt h er e s e a r c hw o r k so nc o v e r sb y e s t a b l i s h i n gd e s i g nr u l e sa n da n a l y s i sm e t h o d st of i n a l l ym e e tg o o de n g i n en v h p e r f o r m a n c ew i t hl o wv i b r a t i o n sa n ds o u n dp r e s s u r el e v e l s t r a d i t i o n a lc o v e rd e s i g ne x p e r i e n c et e l l su sv i b r a t i o nt a r g e t sc o u l db ea c h i e v e db y i n c r e a s i n gs t i f f n e s s ，a d d i n gs t r u c t u r a ld a m p i n g o ri m p r o v i n gc o n n e c t i o n s i nt h i sp a p e r , s t i f f n e s so ft i m i n gc o v e r , c a n c o v e ra n do i lp a ni ss t u d i e di no r d e rt ou n d e r s t a n da n d o b t a i nr e a s o n a b l es t r u c t u r e so fc o v e r sw h i c ha r eb e n e f i tf o ri n c r e a s i n gs t i f f n e s si n e n g i n e e r i n g t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o v e r s t h i c k n e s s ，r i b l a y o u t a n d c o m p o n e n t t o c o m p o n e n tc o n n e c t i o nt os t i f f n e s s ，m o d ea n dv i b r a t i o na r er e s p e c t i v e l y s t u d i e db ym e a n so fc o u p l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d si n c l u d i n gm o d ea n a l y s i s a n dv i b r a t i o nr e s p o n s ea n a l y s i s s t u d ys h o w si ti sb e n e f i tt oi m p r o v i n gc o v e r ss t i f f n e s s a n dv i b r a t i o n sw h e nt h i c k n e s si n c r e a s e d ，r e a s o n a b l er i b sa d d e d ，s t e p su s e da n ds oo n b a s e do ns u z u k igs e r i e se n g i n e ，s o m ep a r t so fp r o p o s e ds t r u c t u r e si n c l u d i n g i m p r o v i n gc o v e r ss t i f f n e s s ，半p a t t e r nr i b ，s t a r - p a t t e mr i b ，c i r c l e p a t t e mr i ba n ds t e p sb y n u m e r i c a lm e t h o d sa r em a c h i n e d ，a s s e m b l e da n dm e a s u r e d t e s tr e s u l t ss h o we n g i n e o v e r a l ls o u n d p r e s s u r el e v e lr e d u c e df o r0 8t o2 5d b ( a ) t h et e s tc o n c l u s i o ni ss a m ea s s i m u l a t i o nd o e st h a tc o n f i r m st h ev a l i d a t i o no fs i m u l a t i o n a c c o r d i n gt o t h ee f f o r t l i s t e du p o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g nr u l ea n d e s t a b l i s h e st h ew o r kf l o wt oo b t a i ne n g i n ec o v e r sw i t hh i g hs t i f f n e s s i ne n g i n e e r i n g ， n v hp e r f o r m a n c eo fs u z u k igs e r i e se n g i n eh a si m p r o v e db yt h i sw o r kf l o w i m p l e m e n t e d a d d i t i o n a l l y , a st h ep a r to fd a t a b a s eo fo e m ，s o m ec o v e rc a s e sw i t hh i g h s t i f f n e s sa r eo b t a i n e dw h i c hc o u l dg u i d ee n g i n e e r st oc a r r yo u td e s i g nw o r ka te a r l y i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s t a g ei nn e we n g i n ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o v e r , s t i f f n e s s ，v i b r a t i o n ，n o i s e ，s i m u l a t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 课题研究背景及其意义 1 1 1 发动机降噪的紧迫性及其意义 随着对环境要求的不断提高，发动机的噪声问题越来越引起人们的注意，它不 仅对其本身带来损害，而且会通过其振动表面向外界环境辐射噪声，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。随着对发动机噪声控制的 要求越来越高，是否具有良好的噪声、振动和行驶平顺性( 简称n v h ) 将是决定 内燃机能否被市场接受的重要条件。因此，专家普遍认为，排放和噪声是2 1 世纪 发动机研究的两大主题，同时是决定发动机未来生存和发展的条件。德国奥迪公 司在探讨汽车技术的发展时认为：汽车今年来发展的特点是排放法规、噪声法规、 降低燃油耗、降低成本。奥地利a v l 公司在讨论发动机发展趋势时认为：发动机 的发展最具挑战性的是解决排放、噪声、振动和行驶平顺性以及为取得满意的性 能所耗成本与所需技术问的协调关系。正如a v l 所预测的，车用发动机2 0 0 5 年 2 5 辆轿车的噪声辐射能量仅相当于1 9 7 0 年1 辆轿车的辐射量。 从发动机工业的发展方向看，噪声是发动机产品竞争的关键技术指标，开展降 噪研究已成为发动机制造商的一项十分重要而紧急的任务。从上世纪7 0 年代开始， 各国政府开始制定车辆噪声法规，以降低噪声对环境的污染。比如1 9 6 7 年的美国、 1 9 6 9 年的欧洲、1 9 7 1 年的日本便开始着手控制机动车噪声，制定噪声法规。图1 1 和图1 2 分别为欧盟和日本近年来的汽车噪声限制发展历程。 我国对车辆和发动机噪声问题重要性的认识早在上世纪8 0 年代就提出了。原 机械工业部机械研究院曾以两轮投票的方式，征求国内1 1 3 位专家的意见，对2 2 项重点机电产品降噪研究的重要性、紧迫性和可能性进行了调查，结果一致认为， 发动机降噪研究最为重要和紧迫，不过其可能性却居第四、五位。这说明内燃机 降噪研究的紧迫性和艰巨性。1 9 8 3 年国家科委已把发动机降噪研究列为国家3 8 项 重点研究课题之一。 我国从上世纪8 0 年代开始控制机动车噪声，并制定了相关的标准( g b 1 4 9 5 7 9 、g b1 4 9 6 7 9 ) ，以后定期修订噪声标准，使得噪声控制的要求变得越来 越突出，限制的变化也还有进一步向下发展的趋势。但与工业发达国家在噪声性 能指标上相比，仍存在着一定的差距。这一点从车辆噪声法规中就可以体现出来。 欧共体r 5 i 0 1 法规规定了现行的包括驾驶员座位的座位数少于9 的载客汽车的加 速行驶噪声的限值为7 4 d b ( a 1 ；日本则规定了包括驾驶员在内的座位数少于1 0 的 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 年1 2 月3 0 目的噪声限值实际上照搬了欧盟9 0 年标准r 5 i 0 1 噪声限值，而2 0 0 5 年1 月1 日后的噪声限值则是照搬了欧盟9 6 年便准r 5 i 0 2 的噪声限值。对于载 重量大于3 5 吨的各种车辆噪声限值的规定相对宽松一些，从2 0 0 2 年1 2 月3 0 日 到2 0 0 4 年1 2 月3 0 日的噪声限值比7 9 年标准规定的1 9 8 5 年以后生产的车辆噪声 限值略有降低，而2 0 0 5 年1 月1 日后，这些车辆的噪声限值则是照搬欧盟9 0 年 的噪声限值标准r 5 i 0 1 ，而没有像载重量小于3 5 吨的车辆那样照搬欧盟9 6 年的 噪声标准。表1 。1 给出了我国汽车噪声控制目标与欧盟噪声限值之间的差距。 表1 1 我国汽车噪声控制目标与欧盟之问的差距 望垡曼! ：! 些里! 曼坠竺堕! 璺望壁鱼墅塑堡垒曼塑呈塑g 塾垫垒塑垒里旦 g b l 4 9 5 2 0 0 2g b l 4 9 5 2 0 0 2 我国法规实施时间 2 0 0 2 年2 0 0 5 年 而真实的发动机噪声水平与国外的差距则更大。2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，天津大学 对我国不同发动机厂家的生产的多个主要机型进行了噪声测试，其中y c 6 1 0 8 g 、 c y 4 1 0 2 b q 、c y 4 1 0 2 b z l q 、y n 4 1 0 0 q b 等柴油机噪声水平基本上都在2 0 世纪8 0 年代水平，而在2 0 世纪9 0 年代引进的j x 4 9 3 z q 柴油机和t j 3 7 6q e 、c a 4 g b 、 y h 4 6 5 汽油机基本上与国外2 0 世纪9 0 年代的统计水平相当。而需要指出的是， 2 0 世纪8 0 年代国外的发动机在设计上基本没有专门采取降低噪声的措施，因为那 时发动机的噪声还没有像现在这样引起人们的重视。 究其原因，虽然现在国内噪声法规从1 9 7 9 年就已经存在，但是比较宽松，而 且也没有完全得到严格的执行，因此我国现有的发动机大多数没有进行过有针对 性地降噪研究，也大多没有采取专门的降噪措施。根据a v l 的研究报告统计，这 些没有专门采取降噪措施的发动机的一米声压级在9 7 1 0 2 d b a 之间，这一点从发 动机噪声测试结果也能反映出来。为了满足新的车辆噪声法规规定的2 0 0 5 年1 月 1 曰后的噪声限值，用于小于3 5 吨车辆的发动机标定工况下的一米声压级必须控 制在9 3 9 5d b ( a ) ，用于大于3 5 吨车辆的发动机标定工况下的一米声压级也必须 控制在9 5 9 7d b ( a ) ，由此可见我国发动机行业目前在噪声指标方面满足国家强制 法规噪声限值面临前所未有的压力。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 2 薄壁件研究的意义 发动机的薄壁件包括正时罩、缸盖罩、机油盘、排气隔热罩等，一般是由薄钢 板冲压而成。这些零部件刚度小且表面积大，容易因发动机燃烧和机械撞击产生 表面振动，从而引起周围空气扰动，向外界辐射噪声。近几年来，多家企业和高 校对薄壁件的辐射噪声贡献量进行了测试研究。研究发现，其噪声贡献量一般占 发动机总辐射量的5 0 以上。比如，长安汽车有限公司对其c 系列一款纵置发动 机( 不带变速器) 进行了额定转速全负荷的声辐射能量贡献测试，测试结果如图 1 3 所示。天津大学则对一款参考发动机进行了全负荷、多转速的声辐射能量贡献 测试 2 】，测试结果如图1 4 到图1 7 。 声能贡献量, 5 5 0 0 转- 全负荷 图1 3 长安c 系某发动机辐射声能量贡献 f i g 1 3n o i s e c o n t r i b u t i o no fc h a n g a ncs e r i e se n g i n e 从图1 3 中可以看出，该发动机声辐射能量贡献排名前三位的零部件分别为机 油盘、缸盖罩和正时罩，分别占总声功率的1 8 2 、1 7 2 和1 5 1 ，其总和达到 5 0 5 ，超过总辐射声能的一半。 从图1 4 到图1 7 可以看出，虽然在不同转速下各个零部件所占总辐射声能的 比重有所变化，但总体上来说，主要辐射噪声的几个零部件的排序并没有发生太 大的变化，他们分别为机油盘( 即油底壳) 、缸盖罩、正时罩( 即齿轮室罩) 。而 排名靠后的其它零部件所占比重相对较少，因此，对总体噪声的影响较小。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 轮壳 菇轮7 寮罩 1 5 3 缸i 蒲警 图1 4 发动机辐射声能量贡献全速全负荷 f i g 1 4e n g i n en o i s ec o n t r i b u t i o n f u l ll o a da tr a t e ds p e e d 飞轮壳滴厩壳 2 45 缸盖置 图1 5 发动机辐射声能量贡献2 8 0 0 转全负荷 f i g 1 5e n g i n en o i s ec o n t r i b u t i o n f u l ll o a da t2 8 0 0r p m 2 了7 缸盖置 ：芏机侮 图1 6 发动机辐射声能量贡献一2 4 0 0 转全负荷 f i g 1 6e n g i n en o i s ec o n t r i b u t i o n f u l ll o a da t2 4 0 0r p m 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 缸盖善 图1 7 发动机辐射声能量贡献2 0 0 0 转全负荷 f i g 1 7e n g i n en o i s ec o n t r i b u t i o n f u l ll o a da t2 0 0 0r p m 此外，华中科技大学对玉林柴油机厂的y c 6 1 0 8 柴油机进行了类似测试1 3 。测 试结果显示，该柴油机在2 1 0 0 转速时，辐射声能前三位的零部件分别为机体 ( 3 1 5 ) 、机油盘( 2 3 6 ) 和缸盖罩( 1 8 2 ) 。结果虽然显示机体辐射量最大， 但也可以看出机油盘和缸盖罩的影响也不能被忽视，辐射声能总和达到了3 5 3 。 综上所述，为了能够有效地降低发动机辐射噪声能量，需要对主要贡献零部件： 正时罩、缸盖罩和机油盘等发动机薄壁件的振动和辐射噪声进行研究和控制。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 发动机薄壁件研究现状 对薄壁件的辐射噪声研究工作是发动机辐射噪声研究工作的一部分，因此，对 薄壁件的研究是随着发动机辐射噪声研究工作的发展而发展的。从上世纪6 0 年代 开始至今，学者们就开始了对发动机的噪声机理的研究工作，至今为止已经历了 半个世纪的历史。而与发动机薄壁件的相关研究，可以追溯到1 9 7 3 年，英国南安 普敦的学者n l a l o r 发表了关于低噪声柴油机设计综述的文章【4 。文中的部分段落 阐述了发动机薄壁件的模态对发动机噪声的影响，这方面的内容在国内的发动机 噪声专著中得到了广泛的引用。到1 9 8 8 年，英国南安普敦大学的w i l c o x c l a r e 发 表了关于如何设计低噪声发动机结构形状的博士论文，其中也部分涉及到有关发 动比薄壁件设计的话题 5 1 。此时，学者们已经开始借助仿真方法来开展研究工作。 进入上世纪9 0 年代，随着噪声法规的越来越严格，世界上各国发动机制造商 和研究机构纷纷加快了对低噪声发动机的研究开发工作的步伐。同时，随着计算 机技术的发展，利用仿真工具进行低噪声发动机设计的活动变得越来越活跃，特 别是突出的是在欧洲和北美，其中对发动机薄壁件的研究也是如此。此时的n v h 工程师和学者已经将发动机薄壁件研究进行了系统划分，总共分为了三个方向。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 方向一，是对薄壁件阻尼减振机理的研究；方向二，是薄壁件结构刚度对降噪影 响的研究；方向三，是对薄壁件隔振措施的降噪研究。 对于研究方向一，利用材料阻尼进行减振降噪主要是利用阻尼材料在受振时呈 现出的粘、弹性性质将动能转换为热能耗散与周围环境中，来降低振动和噪声辐 射。国外有多家企业进行了相关研究，甚至成立了专业从事阻尼材料开发和生产 的厂商。2 0 0 4 年，主要从事减振降噪材料开发的d a a b o k 公司，对某2 0 0 4 款日 产3 5 升发动机缸盖罩进行了不同材料的辐射噪声研究【6 。研究中利用实验方法， 分别对相同结构的铝合金、镁合金和复合材料缸盖罩进行了近场噪声测试，并对 三种材料的阻尼效果对声辐射的影响进行了分析。测试结果显示，大阻尼的复合 材料缸盖罩对降低辐射噪声有积极的贡献，而镁合金缸盖罩比铝合金缸盖罩辐射 噪声稍大，这也是源于阻尼的影响。2 0 0 7 年，w a m 材料公司与e a g l e p i c h e r 公司 合作，对发动机主要薄壁件的贴阻尼片减振降噪进行了研究，提出了四种不同的 阻尼贴片降噪解决方案，分别应用于不同生产工艺形式和不同形状的缸盖罩、机 油盘和隔热罩上【_ 刀。随着国外研究的不断深入，研究成果也不断丰富，部分发动机 制造商通过摸索逐步形成了自己的材料库。如塔塔公司，形成了关于不同薄壁件 的阻尼材料库，并对各种材料的特点进行了总结。供应商方面也是如此，比如德 国b o s c h 公司通过长期的材料测试，形成了丰富的材料数据库；又如瑞典的 t r e l l e b o r g 公司为各个整车、整机厂商提供专业的整车、整机阻尼贴片降噪解决方 案，特别其产品a d m ( a p p l i e dd a m p i n gm a t e r i a l ) 能够广泛而有效地运用于各种 形状的薄壁件结构上。但是，无论是何种阻尼降噪的方案，都存在着成本的压力， 对于发动机制造商来说，这是不得不考虑因素。 ：y - d u _ a d ：3 1 ： b , 一一丞 枣 鲥i 暴 一一 i。9 矽 ，、 吣 m j q 弋， 燕孵-n l y 譬 影 。l。一刊誉蠲b 、。i i i 吲譬s 汝k “一 7 ￥f 。- ，鬻 甲飞 凋鼢鞋童 浮酽墨鬻 。、， 一一x j ： -j - j | 1 日3 1 5矗3 l1 2 s2 s 图1 8t r e l l e b o r g 公司a d m 产品 f i g ，1 8a d mp r o d u c tf r o mt r e l l e b o r gc o m p a n y 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在对薄壁件结构刚度的研究方面，由于其基本不增加开发成本，工艺可行性较 好，因此各个研究机构和制造商作了大量深入的工作。比如2 0 0 6 年，美国福特公 司对其一款4 0 升v 6 发动机塑料缸盖罩的结构进行了研究 8 】。研究中比较了缸盖 罩几种结构特点对辐射噪声的影响，最后得到了三点结论：充分利用螺栓安装 点进行加强筋布置可以有效提高缸盖罩刚度，从而降低缸盖罩辐射噪声；缸盖 罩密封面的“h ”结构具备较好的刚度，这有利于降低辐射噪声和保证密封；缸盖 罩内部合理的加强筋布置能够提高缸盖罩刚度。通过长时间的研究积累，部分国 外研究机构和制造商形成了基于支撑薄壁件新品开发的薄壁件结构库和数据库。 比如福特公司利用仿真和实验相结合的方法，对旗下不同排量发动机的薄壁件进 行了综合归纳，整理和统计了薄壁件的概念结构特点以及模态结果，并作为了公 司数据库和结构库的一部分。又如塔塔公司对市场上部分发动机进行了薄壁件结 构解析，同时结合本公司的产品，得到了丰富的薄壁件结构特点积累。1 9 9 6 年， 英国里卡多公司联合1 3 家全球著名的整车和发动机制造商( 如奔驰、雷诺、丰田、 本田等) 成立了s o n a r 联盟，致力于对全球市场上典型的发动机进行n v h 测试 对标和结构解析。经过十多年的积累，当前己完成了3 6 款发动机的n v h 测试和 解析工作，得到了十分丰富的n v h 数据和结构特点积累，对于薄壁件的研究也是 其中的工作之一。 隔振元件的应用，能够有效衰减激励的能量，从而降低振动和辐射噪声。2 0 0 3 年，福特公司对不同形状的机油盘隔振垫进行了研究【9 。基于测试刚度和阻尼数据， 利用有限元的方法，对不同形状的隔振垫进行了分析，包括对阻尼元件形状、尺 寸和刚度之间的关系；预紧力对刚度和阻尼的影响等。 在国内，部分高校也开展了一些卓有成效的发动机薄壁件的研究工作。浙江大 学的贾维新、郝志勇通过仿真方法，对研究了发动机机油盘的隔振垫的非线性模 拟方法；机油对机油盘辐射噪声的影响；利用形貌优化方法对机油盘固有频率进 行优化等问题 1 0 。天津大学的梁兴雨、舒歌群等分别研究了机油盘的阻尼、结构 和隔振问题，在结构研究中，提出了关于增加焊点、机油盘隔板等合理的优化方 案。 虽然如此，与国外先进国家相比，目前我国发动机产品的低噪声设计开发能力 仍然有一定差距。究其原因，主要是我国执行的车辆和发动机噪声限制标准要求 比国外低，噪声控制的行政管理制度较为宽松。这导致国内对整车和发动机降噪 的研究工作开展不如国外活跃，尤其是创造性的关键技术研究不够，对研究内容 的总结和归纳力度不够。比如对发动机薄壁件来说，国内的大部分发动机厂家没 有自己成熟的薄壁件数据库和结构库来支撑薄壁件新品的开发，而往往是通过沿 用老产品或者通过在老产品基础上优化的方式进行新品开发。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 2 仿真技术在发动机n v h 研究中的应用 在发动机的产品开发中，为了能够获得良好的发动机n v h 性能，必须在发动 机开发的前期，即概念设计阶段就对其振动和噪声问题进行关注。或者说对于发 动机n v h 性能相关的特定指标，比如固有频率、振动速度和加速度、一米声压等， 需要在产品开发的初始阶段完成初步定义，并且在开发的整个过程中随时跟踪这 些基本参数的变化。对于传统基于实验的开发模式，这样的目的是很难达到的， 因为开发前期没有可用的实物样机开展实验测试工作。仿真技术的诞生打破了这 个瓶颈，它基于发动机数字样机能够在产品开发初期实现对n v h 特定指标的预测， 在必要的情况下进行设计的修改，同时不产生额外的成本。可想而知，如果没有 仿真技术，很可能导致产品的n v h 缺陷暴露于开发后期而影响产品开发，这不但 浪费时间，还会大大增加开发费用和开发风险。 较早有关仿真技术在发动机n v h 研究中的应用文章发表于上世纪7 0 年代， a f f e n z e l l e r j 采用通过振动传递的方法构建了噪声预测模型，分析了轴承油膜刚度 和阻尼对模型的影响 12 1 。这个阶段的文献所用的模型比较简单，预测精度仍有限。 进入8 0 年代后，学者们开始运用有限元法和边界元法进行n v h 分析。c r o c k e r d m 应用有限元法，采用简化实体模型，考察了缸体的振动情况并对其进行了结构优 化 13 1 。不久，l a l o r n 也应用有限元法对柴油机零部件的振动问题进行了研究，以 此预测噪声辐射并优化了设计 1 4 。c y c h e n g 和a f s e y b e r t 首次运用边界元法进 行了发动机的噪声预测 ”】。上世纪9 0 年代，仿真技术有了进一步的发展，主要体 现在形成了基于有限元法和边界元法的复合方法并成功运用于发动机n v h 领域 中。k i r k u p s m 和t y r e l l r j 采用复合方法预测发动机噪声问题，首先采用有限元 计算发动机表面振动，然后以表面振动结果为初始条件，利用边界元预测辐射声 压 1 6 。同一时期，国内的仿真技术逐步发展了起来。俞明利用有限元法计算缸体 进行表面速度均方值和辐射效率，最后得到了表面噪声分布图( 1 。不久，葛蕴珊 等发表了一篇应用有限元和边界元进行v h 分析的文章，主要叙述了通过亥姆赫 兹方程建立模型，利用高斯积分，把通过声强测得的空间粒子速度作为已知量， 求得空间辐射噪声，通过这一噪声与声强测量值相比较得到其有效性验证【l 引。以 上研究工作主要围绕有限元技术和边界元技术进行，其缺点是不能精确预测发动 机高频噪声幅值，因此，诞生了后来的统计能量法。国内学者刘爱群等应用统计 能量法对发动机进行子结构划分，确定阻尼损耗因子和耦合引资等参数的推导公 式，从而进行高频振动噪声的预测工作圳。 进入2 1 世纪后，仿真技术在发动机n v h 领域的应用已相对成熟，这不但表现 在算法本身，而且表现在发动机工程数据积累层面。此时，国外一些著名的发动 机研究机构如a v l 、f e v 、里卡多等都开发了自己的商业化发动机振动和噪声仿 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 真软件。较为著名的有a v l 的发动机振动分析软件包e x c i t e 。其中的结构振动 分析包有p o w e r u n i t ( 发动机振动分析、曲轴系动力学分析、非线性轴承油膜分析) ， p i s t o n & r i n g ( 活塞敲击非线性激励分析) ，t i m i n g d r i v e ( 阀系和正时系统动态激励 分析) 等。该软件可以考虑发动机的各种激励，如缸压、惯性力、阀系激励、正 时激励、活塞敲击、变速器激励等，结合a v l 的分析数据库，能够准确地预测 3 0 0 0 h z 内的发动机振动噪声特性。 图1 9 a v l 公司e x c i t e 软件 f i g 1 9e x c i t e s o f t w a r ef r o ma v l c o m p a n y 里卡多公司也拥有功能类似的发动机振动噪声仿真包，包括e n g d y n ( 发动 机振动分析、曲轴系动力学分析、非线性轴承油膜分析) ，p i s d y n ( 活塞敲击非 线性激励分析) 和v a l d y n ( 阀系动态激励分析) 。除此之外，2 0 1 0 年，f e v 也 推出了发动机多体仿真软件v i r t u a le n g i n e 。l m s 和f f t 公司也拥有专业的边界元 仿真软件。 发动机制造商在这些研究机构的技术支持下，广泛使用以上商业软件开展发动 机开发工作。同时，实力较强的发动机制造商针对自己的特殊情况，也积极地开 发自己的内部仿真程序。比如在福特公司内部，欧洲福特倾向于使用a v l e x c i t e 开发振动噪声仿真工作，而北美福特则主要结合自己的数据库和配合使用内部仿 真程序开展发动机n v h 研发。 1 3 论文主要研究内容 通过以上对发动机薄壁件的分析可见，薄壁件辐射噪声是发动机总体辐射噪声 的主要贡献，因此对发动机薄壁件的研究至关重要。同时，通过对国内外汽车行 业在薄壁件研究上的现状分析可见，第一，无论是对薄壁件阻尼减振机理的研究， l o 重庆大学硕士学位论文1 绪论 还是对薄壁件结构刚度的降噪研究，或者是对薄壁件隔振措施的降噪研究，国内 汽车行业的研究水平较国外同行业均有较大差距。其主要体现在创造性的关键技 术研究不够，对研究内容的总结和归纳力度不够。因此，有必要开展对薄壁件的 各方面的深入研究工作。 鉴于发动机薄壁件的重要性，以及国内在这方面的研究需求，本文着重围绕“发 动机薄壁件结构刚度”这一问题开展研究工作，即1 2 1 节研究方向二中界定的工 作。通过开展本课题工作，拟解决的关键技术问题包括：( 1 ) 建立一套能够有效 进行高结构刚度薄壁件筛选的工作流程，其中将涉及到仿真、实验等相关工具；( 2 ) 得到部分高刚度薄壁件结构，丰富企业数据库。 为解决以上关键技术问题，拟采取以下思路开展本课题工作。 首先，对发动机的主要薄壁件进行梳理，得到较为典型的发动机薄壁件作为本 课题的研究对象，其中包括正时罩、缸盖罩和机油盘。 其次，选择一款合适的发动机作为载体开展本课题研究工作。本文中选择了铃 木公司的g 系列发动机。 接着，基于工程实际经验和部分理论基础，提出了低噪声薄壁件的结构特点， 包括薄壁件厚度、加强筋布置和零部件间连接；结合上述提出的低噪声薄壁件结 构特点，给出了有待进一步验证的正时罩、缸盖罩和机油盘的几种结构方案，并 分别对上述各种结构方案进行说明。 然后，利用仿真方法分析并对比了待验证薄壁件结构方案，筛选得到n v h 指 标较优的方案。详细来说，首先利用h y p e r m e s h 软件建立了动力总成的有限元模 型；利用m s c n a s t r a n 软件计算了整机状态下三个薄壁件的模态结果，对每个薄 壁件不同结构方案的模态结果( 包括固有频率和振型) 进行了相互比较t ，建立了 a v l e x c i t e 多体动力学模型，同时耦合有限元模型计算得到了不同方案的薄壁 件振动速度级结果，并进行了相互比较；通过对薄壁件模态结果和振动结果的综 合评判，筛选得到了结构更优的薄壁件结构方案。 最后，对于仿真得到的结构较优的薄壁件结构方案进行实验验证。详细来说， 基于仿真得到的较优薄壁件方案进行了样件制造，得到不同方案状态的动力总成 样机；在发动机半消声室内，测试了以上所有方案的实物样机，得到了不同载荷 和发动机转速下的整机平均一米声压级、薄壁件表面振动结果；通过分析和比较 上述测试结果，进一步确认仿真分析得到的薄壁件结构方案的正确性。 整个课题研究工作的开展以铃木g 系列发动机为平台。g 系列发动机为铃木 公司成熟机型，并被长安汽车公司引进。当前，长安公司正在对该机型进行升级 换代，以提高该机型的生命周期。升级后机型将搭载长安b 级轿车和高端微车。 也就是说，通过本课题研究所得到的薄壁件结构方案，若成本、工艺等工程化可 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 行性满足要求，将直接切换到产品上，提高产品n v h 性能。因此，本课题的开展 也符合长安公司产品开发的需求。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 发动机薄壁件结构方案的提出 2 发动机薄壁件结构方案的提出 2 1 基于工程实践的低噪声薄壁件结构特点介绍 在上一章的1 2 1 节中介绍了国内外薄壁件的研究现状。对于薄壁件结构刚度 研究领域，国内起步较晚，虽有一定的研究成果，但并未形成体系；相比来说， 国外的企业和研究机构作了大量的工作并形成了一定的数据库和结构库积累，但 这些成果的具体内容属于企业核心，未系统地对外公开，只能从对外发表的论文 上了解到局部，比如1 2 1 节中所提到的福特汽车v 6 发动机缸盖罩的“h ”结构和 加强筋结构等。 通过对这些论文的总结可知：一般情况下，高刚度设计的薄壁件结构与低刚度 设计的薄壁件相比，由于高刚度设计具备更高的固有频率，而激励能量的趋势是 随着频率的升高而逐渐降低，因而高刚度设计的薄壁件表面振动级相对较低，从 而向外界辐射较少的结构噪声。换句话说，具备较高的结构刚度是设计低噪声薄 壁件的一个必要条件。 发动机薄壁件一般具备某自由度方向刚度低而其它两自由度方向刚度高的特 性，这是由薄壁件本身的结构特点所决定的。比如图2 1 所示的某发动机薄壁件结 构，观察其结构刚度可以发现，该薄壁件第一自由度方向( 即平板法线方向) 刚 度低，而其它两个自由度方向( 即平板内两自由度) 刚度高。在这种情况下，如 果某激励作用在该薄壁件上，第一自由度方向的更容易产生剧烈的振动，从而辐 射更大的噪声。因此，如何保证平板法线方向具备较高的刚度是设计低噪声薄壁 件的关键。 方f 龟一 f 军冬煎三，弋o 、 x 万旺 图2 1 发动机薄壁件结构 f i g 2 1t y p i c a le n g i n ec o v e r ss t r u c t u r e 重庆大学硕士学位论文 2 发动机薄壁件结构方案的提出 根据实际工程经验，薄壁件的结构刚度主要受以下三种结构特点的影响： ( 1 ) 薄壁件的厚度； 公式2 1 为矩形截面梁惯性矩的计算公式。其中，i 为惯性矩，b 为梁宽度，h 为梁高度。 ，= 击拼 ( 2 1 ) 众所周知，梁的抗弯刚度e i 跟其截面惯性矩成正比，同时根据式2 1 可知截 面惯性矩i 和截面高度h 的三次方成正比，因此截面高度直接影响矩形梁抗弯刚度 的大小。 薄壁件可以看作是有限根矩形粱并行排列而成，这种情况下，梁的高度实际上 就是薄壁件的厚度。换句话说，薄壁件的厚度直接影响其抗弯刚度的大小。同时 厚度和刚度之间存在单调递增关系，所以理论上来说，薄壁件厚度越大，其刚度 越大。 即便如此，在设计发动机薄壁件时，并非其厚度能够设计足够而使设计者满意， 因为薄壁件厚度的取值同时受到工艺水平、成本等因素的限制。 ( 2 ) 加强筋布置。 加强筋布置能够有效影响薄壁件的刚度大小，其原理类似于改变薄壁件局部厚 度，即利用加强筋的高度来改变加强筋在薄壁件上布置区域的截面惯性矩，以达 到改变抗弯刚度的效果。 不同结构形式的加强筋对薄壁件刚度的影响是不同的，合理的加强筋布置可以 有效提高薄壁件刚度，反之，不合理的加强筋布置不但不能达到提高刚度的目的， 甚至会降低薄壁件刚度。因此，如何设计合理加强筋结构显得十分重要。一般来 说，加强筋设计内容主要包括对加强筋形状、截面尺寸和布置范围等因素的设计。 ( 3 ) 薄壁件与其它零部件间的连接。 薄壁件的结构刚度大小一方面由本身结构决定，即上述两种结构特点决定；另 一方面，它的大小也和与其它零部件间的连接相关。在相同薄壁件结构设计的情 况下，采用不同的零部件间连接方案，其结构刚度也会受到影响。这好比将一座 建筑修建在不同的地面上一样：修建在岩石上的建筑要比修建在泥土上的建筑稳 固；即使修建在岩石上，不同深度的地基之间也会有区别。 因此，薄壁件与其它零部件间的连接也是影响薄壁件结构刚度的因素之一，有 必要进行研究。 2 2 发动机薄壁件简介 自1 8 7 6 年奥托发明第一台四冲程发动机以来，发动机己经历了一百多年的发 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 发动机薄壁件结构方案的提出 展历程。在这个发展过程中，发动机的结构形式也在不断的变化，现代发动机的 结构形式己十分丰富。对于不同结构形式的发动机其薄壁件也有所不同。但总体 来说，现代发动机薄壁件主要由缸盖罩、正时罩、机油盘、排气隔热罩和变速器 薄壁件等几部分组成。以下将对所列出的薄壁件进行一一介绍。 2 2 1 正时罩 正时罩位于发动机正时系统侧，其表面积较大，是主要的噪声辐射源。其功能 主要包括以下几方面。 隔声功能。参考图2 2 ，正时罩内部的正时系统由多个齿轮组成，齿轮间通 过皮带或链带相互连接驱动，或者齿轮相互间直接驱动。无论哪种驱动方式，总 存在齿与齿的啮合现象。多边形现象告诉我们，啮合过程总是伴随着啮合力的变 化，形成阶次噪声并向外辐射，一般称这种性质的噪声为啸叫。正时罩将正时系 封闭在内部，截断了啸叫的声学传递路径，一定程度衰减噪声向外界辐射。 密封功能。正时罩通过螺栓与缸盖、缸体相连，其间利用密封元件保证密封 功能。通过密封，防止发动机内部润滑油渗出；通过密封，防止外界粉尘进入发 动机内部，影响润滑性能，保证轴承安全工作。 正 缸盖罩 图2 2 典型发动机结构示意图 f i g 2 2t y p i c a le n g i n es t r u c t u r e 系统 2 2 2 缸盖罩 缸盖罩是发动机的主要薄壁件，它也是发动机重要辐射噪声源之一，其功能 主要包括以下几方面。 重庆大学硕士学位论文 2 发动机薄壁件结构