（机械工程专业论文）zh1105柴油机机体模态分析.pdf

z h l l 0 5 柴油机机体有限元模态分析 摘要 本史首先介绍了内燃机振动和噪声的基本知谚 和理论，尤其 世雨点介绍了有关内燃机表听振动和噪声的理论；然后系统地阐述 了内燃机现代设计理论和力法，对有限元法和模态分析法作了理论 介 i | ：在本文的最后部分中，应用有限元模态分析法对z h l l0 5 柴 油机h l 体进行了模念分析： j 用i d e as 软件的i 维几何造型技术， 也0 了简化后的和完整的柴油机机体的几何实“、模瑁j ；然后对两种 漠i i 分别进行自由模态和约束模态的材料特性选取、有限元网格划 分、边界条件限制、计算模式选择等模态计算、分析工作，分别得 机体的前十阶模态参数和固有振型；根据这结果，本文进步 人挑动挖制的角度上对该机体的结构特点和机本结构薄弱坏节f 1 ： 厂分 i ，并相应地提出了结构修改方案。 关键词：柴油机，机体，有限元法，模态分析 一 v 、p 菠裁 眵 t h ef i n i t e e l e m e n tm o d a l a n a l y s e s t oc l i n d e r b l o c k o fz h l l 0 5 d i e s e le n g i n e a b s t r a c t a tf a s t ，t h i sp a p e rj n t l - o d u c e s t h ef h n d a m e n t a lk n o w l e d g eo f d i e s e iv i b r a t i o n a n d n o i s e ，e s p e c i a l l y t h e、i b r a t i o n o fd i e s e l a p p e a r a n c e s e c o n d l y ，i tf o r m u l a t e st h e m o d e r nd e s i g nt h e o r ya n d l n e t h o do fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e i nt h e l a s t c h a p t e r ， i t a n a l 、r s e st h em o d a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h e c y l i n d e r b l o c ko f z hl 10 5d i e s e l a p p l y i n g t h ef i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i s m a k i n gu s eo f3 dt e c h n i q u ei n t h ei d e a ss o f t w a r e ，i tc r e a t e st h e s o l i dl n o d e l i n g o f c y l i n d e r b l o c k t h e ni tm a k e s t h em o d a l a n a l y s i so nt h es 0 1 i dm o d e l i n g f r o mi t ，p a r a m e t e r s a n dm o d a lo f 、i b r a t i o nc o n t a i n i n gl0r a n k sa r eo b t a i n e d a tl a s t ，o nt h eb a s i so f 【h ec o n c l u s i o nt h es t r u c t u r ef e a t u r e si nt e r m so fv i b r a t i o nt h a tt h e o v l l n d e rb l o c kb e a r s a r e a n a l y z e d ，w h i c hp r o 、i d e s t h eb a s i sf b r i n o ( i l t l y i n gc y n d e rb l o c kd e s i g n k e yw o r d ：d i e s e l e n g i n e ，c y l i n d e r b l o c k ， t h ef i n i t e e l e l l l e n tm e t h o d ，m o d a la n a l y s i s i￥lliilililifilelilillillliiiiiillllllll。 ；童三! 坠二：；一 第一章绪 论 f 1 从上个世纪第一台内燃机问世以来，内燃机作为人类社会最 匾婴的动力装置，以其热效率高、重量轻的优点，在船舶、汽车、 j 匝扎机、工稃机械和机车等工农业领域获得了广泛的应剧，极大的 扩h 了人类的活动空间。内燃机的出现，给人类社会的物质生活和 精神状态带束巨大的改变。随着人们生活水平的不断提高i 和环境保 护意识的逐步加强，保护人类赖以生存的自然环境、改善人们工作 阳! 卜活的周围环境、走人与自然和谐发展的道路已成为hr 界各国人 ! 亡的普遍共识。当今世界上，内燃机的噪声和有毒、有害气体的排 坡已成为环境污染的重要问题。 随着我国国民经济的迅速发展和人们生活水平的逐步提高，以 ，。、l k 结构的调整，汽车工业的夫发展是必然趋势。据预驯，我国 。 弋将花2 0 0 5 年左右进入汽车消费需求迅速增长的阶段。在价格 训州i 能相同的情况下，消费者肯定会偏爱噪声较低的汽车。发动机 毡i t 乍最重要的噪声源，国外汽车工业投入的f ，额丌发费用r f j ，有 + 、h 、。j部分是用于降低发动机噪声的。我国在这方向的水i f 还f 艮 喂，发达国家生产的汽车发动机噪声比我国同类产品低得多。目 j d ，我吲加入世界贸易组织的谈判已进行到最后阶段，根据已达成 r 0f j 天协议，在未来的3 5 年内，我国将大幅削减汽车进r j 关税， 戏汽乍工业将面l 临更为强大的竞争对手。而发动机噪声较大的汽 t 一览争中必将处于非常不利的地位。从国内市场上看，我国已立 上；定了严格的发动机噪声限制标准，超过标准的发动机将不准生 川此，利用现代内燃机设计理论和方法丌展控制振动、降低噪 j j 帕研究工作，已成为内燃机理论的个重要发展方向，其对于提 ， j e1 日发动机产品的国际竞争力，逐步占领国内、国际市场，发展 墼堡堡三查兰堡主兰堡丝圣二；= = 一 仆人民族汽车工业具有特别重要的意义。 埘内燃机噪声的系统性研究工作，始于五十年代初期。纵观国 ：外儿j 一年来对内燃机噪声的研。i 工作，大致可分为三个阶段： 旃阶段，约自五十年代初； | j 至六十年代 一期。这阶段的研究 l 。仆1 要对产生内燃机噪声的机理进行分析和试验研究，即声源探 1 、t ，对内燃机的结构不作重大变动。大致包括以下内容： ( 1 ) 对内燃机噪声进行调查和测量，比较汽油机和柴油机的 i 禁j ! ，： ( 二) 研究各种工况、结构型式及调节参数对内燃机噪声的影 响： t3 ) 分析内燃机的各种噪声i 源，改进进排7e 消声器； ( 4 ) 研究隔声罩的隔声性能， 讹阶段，约自六十年代后明至七十年代水明。此阶段的特点 睦i q 燃机的传统结构作较大的变革，并开始把研究成果用于新没 ! ：燃机上_ _ 。这一阶段内的研究工作，主要翻以下几方两： l 1 ) 深入研究燃烧噪声，发腥低噪声的燃烧系统； ( 二) 在研究内燃机表面噪声辐射量的分布壤础f ：，探索各种 ，”；i 掏的降噪效果； l 3 ) 改进隔声系统，探索整机隔声罩在内燃机上应用的1 1 丁能 胜。 旃：阶段是从8 0 年代起至今。由于快速、人容量电予汁算机 和 掘处理系统在内燃机研究中的应用，加上实验投术和测量仪器 _ 测试设备的改进，使内燃机隆实验和理论5 h 究卜有了个较大 0y 二i 感在这阶段，研究内燃机结构在燃烧和机械激振力作h 下 r 0 扎山j ：m 律，研究振动传递函数j 噪声的关系，果圩j 现代段计理论 j = j 】? ，上刖 制新一代的低噪声内燃机，使之在内燃 几的设汁阶段就能 顺竹f h 噪声的强度，以确定最合理的噪声、振动水平和结构强度的 i 2i i 厅枭i2 1 。 。：；。：；：，量三二塞；童堕：；：；：；：；：；：一 = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = l = = = = = = = = ；= 日；= ；= = = = = 5 5 5 4 i = 5 5 5 一 一 从噪声和振动的观点来看，柴油机是个刚性、阻尼和响应特 件变化的高度复杂结构。柴油机机体是发动机基础结构之一，其模 惫 j ：性平抵动响应对发动机性能影响尤为显著。机械噪声来源于振 功，通过控制振动以达到降低噪声的目的，是控制结构辐射噪声的 最小本的方法。振动结构辐射噪声的量级和分布规律与结构表面的 娠。j 速度有密切关系，而结构表面振动速度的大小及分析j 规律，在 j j 救呐力条件下，主要取决于结构本身的振动特。h 及阻尼大小。 h 此，纳构表面声辐射的强度与结构振动模态有关。1 ：同模态的声 碥自、j 强艘是不同的。声辐射强度较大的那些模态称为“优势模态”。 能抑制这些优势模态，便可降低结构的声辐劓强瞍。利用模态分 f 刊2 术j 以识别机体的各阶模态，再利用振动i 声信号的相关分 昕，找优势模态，采取结构修改的方法，以调整优势模态或采取 驸加阻尼的办法抑制优势模态，从而达到降低噪声的目的。 模态分析的实质，是一种坐标变换。其目的在于把原在物理坐 f q i 系统t 1 ，描述的响应向量，放到所谓“模态坐柏、系统”中来描述。 ：立降柏：系统的每一个基向量恰是振动系统的个特征向量。运用 r 丝 ，j ：系统的好处是：利用各特征向量之间的萨交特性，呵使描 述m6i 越i 门量的各个坐标互相独立而无耦合。换句话说，在这一坐标 系统t f ，振动方程是一组互无耦合的方程，每一个坐标均可单独求 1 7 ；此，模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量( 或称特 j j _ | _ 、虬模念振型) 。模态分析的主要目标在于将机械结构系统由 啦炎比和静态设计方法改为动态、优化设计方法；这是先进的洲 i 式 2 术、完善的理论计算和计算机技术三者相结合的方法。它可使 j 女构填订更合理的质量分布，以最少的原材料来达到对结构刚度与 碰心等的设计要求。 何限单元法是近三四十年随着计算机的发展而发展起来的用 j j 一仲 i 构分析的数值计算方法。有限单元法座一用离敞的思想，把 u 迎简化为具有有限个自由度问题，然后借助结构矩阵分析的方法 _ _ 壁堡堡三查兰丝：! ；兰篁篁墨：= 一 处州纯工程技术领域，有限单元法的应用可以分为三类：静力分 h i0u 题( 如求解稳态的位移分布或应力分布) ：特征值问题( 即模态 = _ - 戈 定性分析问题) ：瞬时动念分析问题。在l q 燃机结构分析 i i ，：呼遍采用有限单元法进行各构件的模态分析，利用有限元法建 、i 绀 、勾的动力学模型，进而可以计算出结构的吲有频率、振型等模 参数以及动念响应( 包括动态位移和动应力) ，同时在计算机屏 撂；可观形象地再现各构件的振动模态，进一步汁算出各构件的动 冬【| l i j ，较真实地描绘出动态过程，为结构的动，冬没计提供方便有 故1 1 0f ：7 乓。 f 1 为本课题的研究方向，对机体本身进行合眦化设计，c 曳变机 、s 刚芝减轻机体重量，降低机体振动，减少卡j 【体噪声辐射，是内 臻扎。冀汁理论中的重要课题，也是现代内燃机卫汁的发展趋势之 机体的重量和刚度是矛盾着的两个方面。出1 轻量化和节约原 枉的考虑，设计者要尽量考虑减低机体重量，但往往耍影响到机 j * 的度，使其受到削弱。有时设计者要增强机体的刚度，似4 i 知 ；7 f 蛀j u 强。单凭经验设计难以同时顾及这两个力面。本课题采用 燃帆现代设计方法对机体的振动、噪声进行分析和控制：根据有 艇儿馍念分析法，利用美国s d r c 公司i d e as 软件对z h1 1 0 5 柴 油书c 饥体进行模态分析。利用r d e as 软件的一维几何造掣技术， 坐、r1 崔油机机体的几何实体模9 1 i ；然后对此校，靼进仃材制特性选 l 、川诞元网格划分、边界条件限制、计算模八选择等棋态引算、 ：，ni f 17 ，求得机体的频率和固仃振型，通过分析备利- 振l l j ，确定 呲仆挑? 山较大的部位，进而有针对性地在设计阶段采取l 殳变壁厚或 套心筋等结构改进措施。 第二章内燃机振动和噪声 2 1 内燃机振动的分类 随行内燃机的高速、轻型、大功率化，其振动噪声问题同趋突 l hf 内燃机诞生以来，改其动力性能、降低其振动强度，一直 址j 、，、乒内燃机设计人员努力的目标。但是，采用曲柄连杆机构的内 然“，于结构复杂、气幻的作功过程不连续，其惯性力和气缸气 体j 鄙具有强烈的冲击和宽频带激振作用；此外，内燃机还有各科一 系钉：和部件，它们都存在各式各样的作用力。所以，由此产生的内 燃机振动，其特点是多振源、宽频带、形态复杂，不可能用一种振 一力 c ! 型加以概括，通常按照研究重点的不同，内燃机振动可划分为 j q 干_ j _ 类，型：整机振动、结构振动、轴系扭转振动和部件振动”j 。 研究整机振动的目的是为了了解它的振动规律和振动的大小， 芍【g 弹1 陀支承或隔振器的性能，研究环境对内燃机的影响。研究整 眦十- i 二力叫，假设内燃机为绝对刚体，将内燃机及其支承简化为单质 1 = ；：弹悱支承系统，在激振力作用下，作六自d i 度的刚体运动( 称 勺枉机川体振动) 。其激振力为各曲柄连杆机构产生的惯性力和力 h 以及由往复惯性力和气体力引起的倾倒力矩。 结构振动主要是指实际上具有弹性的内部绵构零件，如活塞、 童、i 泊轴、机体等，在燃烧气体力和惯性力作用下所激起的多种 嘭- l 的掸性振动。它是诱发内燃机燃烧噪声和活塞敲击噪声的根 原足近二十余年来得到重视的一种振动类型。迅速燃烧的气体力 j 盖、活塞顶部作用以冲击载荷；此外，由于活塞侧面与气缸套 些堡堡三查兰堡土兰堡丝塞一 三m 仔在工作间隙，活塞运动过程中侧压力方向的改变，也会导致 ；1 ) _ 套的撞击。这种冲击力含有较高频率范围的谐振成分，在 上的激励下，内燃机结构昏零部件将按各自的固有频率进行振 ，力，最终的结果导致外部结构表面的高频振动，诱发8 0 0 3 0 0 0 h z h 嗡，h 。 彩扪内燃机轴系包括曲轴、凸轮轴、传动轴等。它们的扭转刚 ， j z 小，在周期性曲轴扭矩( 包括从动机械的1 ：均匀阻力矩) 、【。i 伦轴m j 矩等的激振下，出眦扭转振动。 f 勺燃机的部件很多，已的振动型式更是多种多样，最常见的 造酣气系统振动和缸套振纠t ，前者会破坏气门的币常工作，后者将 r j i 扯缸套的穴蚀。 2 2 内燃机振动的控制 内燃机振动控制虽然有本身的特点，但基本原理与股机械 t 量行的振动控制方法没有什么区别，一般包括振动力隔离或对结构 施肌mj 已。振动隔离是减少从一个结构向另一个结构通过某螳弹性 ，僻州的传播；对于共振的结构可以通过施加阻尼来避免共振。州纳 世水内燃机振动控制大致可分为如下几种途j 争： ( 】) 削弱激振源 返足降低内燃机振动的基本途径，它贯穿舀、设计、制造乃伞使 1 j | 。j ，仑j 立程。诸如内燃机平衡性能改善；选用z 玑力学性能盘j 的配7e j 、：震用先进的活塞结构，以：成少活塞的横向撞击：以及提i 断零 r l 的j j u 工、装配和调整精度，以保证设计性能的实现，防i ：出现 7 j 激* 二源等。内燃机的多种激振力都是宽频带的，因此要特别注 誊弱激振力那些有重要影响的频率成分。例如，对结构振动而苦， 婴f 瞩降低燃烧气体力中声频段内的强度，因为此频段内的7 ( 体力 量；tr 世人耳最敏感的结构噪声。 i j 丝三塞蜜丝! ! 壅垫堡璧妻：；：；：；一 ( 2 ) 避免共振 通常通过改变内燃机设计来调整系统固有频率，避免共振。例 姻改变飞轮结构以调整轴系质量：变更隔振橡胶元件的硬度以改 7 坚! i 刚度；改进机体结构以改变其固有频率等。 ( 3 ) 减少共振响应一一减振 m 丈际结构中，有时无法避免共振情况，此时，可采取增加系 宅j 岜，消耗共振能量和采用动力吸振器等措施。 ( 4 ) 控制振动的传递率一一隔振 完全消除内燃机的振动是不可能的，采取上述措施只能将其控 化桀范围内。为此可采用隔振方法，也可以通过增加某些结构 均刚加h 0 度或阻尼，来改变振动的传播途径，以达到降低振动总水 f 的日的。 ( 5 ) 振动的主动控制 ：述靠调整系统质量、刚度、阻尼等参数来进行振动控制的方 ：，虽然起了一定作用，但无法满足高控制水斗7 的要求，主动控制 逛微射l 被控系统的动态特性，采j 目由外部输入能量的控制方法使被 悴系统+ 典现减振。一般的主动控制能在任何范1 同内抑制系统的位 哆、速度和加速度。振动的主动控制能根据系统的状态变量和当前 门激励情况，主动作出反应柬控制系统的振动。与传统的被动控制 1 1 【i i i 动控制的最大优点在于其有高度的自适应。陀。 2 3内燃机噪声的发生机理 为了降低内燃机的噪声，必须充分了解其噪声发生的机理。内 然# l 内部具有多种激振源，这些激振源所激发的振动，将通过各种 童f ，if 毒递至组成内燃机外表面的各种零部件，并由此辐射出螟，占。 拦l 牛低内燃机噪声，必须设法减少各激振力和化播途径的传递率， i ：化冀外表面采取减振隔噪等措施。为此，应该事先充分分析噪声 塞堡堡三叁兰堡；! ：兰丝篁塞 = t ，l 的机理，否则所采取的措施效果必然很差。 噤声是由振动产生的，振动取决于激振力特性和激振系统的结 均l i _ | = jj 总特性。内燃机噪声产生的机玛。如图2 一l 所示【2 j ： i 燃机的噪声源按机理大致可分为内部激抓力、振动传递系统 川z 卟部辐射源三部分。内部激振力有燃烧激振力和机械激振力两 卧。j h 哲是由于气缸内周期性变化的气体压力引起的，它主要由燃 先过程的燃烧压力所决定；后者是由于运动件之间及运动件与固定 “ 。二m 嗣期性变化的机械作用力产g 二| ，： j ，如活塞撞击气缸、逊排气 ”+ 螭、齿轮因扭振而相互冲击等。 l 燃机噪声产生的简单模型- t 】以j l 燃烧、机诫和气流f ，i 为二个 1 i 、4 、i l 棠p i 源i “。因此，内燃机噪j 旨可大致分为 f ：陶振动噪声( 义称 挺辐q 十噪声) 和空气动力噪声两火炎。结构执、动峨声义可分 山燃烧噪声、机械噪声和液体动力噪声。空气动力噪声包括进气噪 r h 、排7i 噪声和风扇噪声。 图2 1内燃机噪声的发生机理 f ig2 1t h em e ch l n is mo f e n g in 。n o is e 燃烧噪声就是混合气燃烧产q ：的缸内气体力直接激振发动机 n 研，1 牛的噪声。而：博传递气体力的曲柄连卡1 机构中匾十 i 酣合的 ，g 套 _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - - - - - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l 。 丝三童蜜鳖! ! 堑丝堡些霎 譬继气体力的作用下越过配合间隙形成冲击发出的噪声归入机 。 溅l 毗声，也称问接燃烧噪声。实践证明，燃烧噪声的主要传播途径 仃 ：一是通过气缸盖、气缸套、机体等结构零件而传播到外界， 际为外部传播途径；二是通过曲柄连朴机构，即活塞、活塞销、连 、曲轴、轴承座传给曲轴箱和油底壳，称为内部传播途径。对于 f 确定的发动机表面，声辐射效率为定值，所以可用发动机表面振动 速度表征燃烧噪声。确定的发动机有确定的传递函数，也i 可用缸 m j 丧征燃烧噪声。燃烧噪声l 缸内压力交变特。r l ：有天，1 ：要 自 i j j 什 i 率( 扫矾表征，实验测定两旨关系： 心卜c 鼽 一 ， l i 。ir ，( 冬) 。、为气缸压力升高率的最大值，单位i ，a s ；，、气压力 “， 门 ：夫值，单位p a ：，为声强，单位w m 2 。一定的发动机在一定 的牝速下的缸内压力是由放热规律决定的，放热率峰值大小直接关 景到燃烧噪声的大小。对于一台发动机： = 2 l l g ( 等) m 。+ 2 8 l g h + 3 。( 如( ( 2 引 t ，乃燃烧噪声声级，单位棚( 爿) ：( 筹) 。、为放热率峰值 ，为t 功机转速，单忙r m i n 。燃烧噪声通过缸套、机体、缸盖等结构 “l _ 【= 外抖辐射中高频噪声。 l 撇噪声是指由于气体力和惯性力的作用，使运动零件越过配 合| j j 隙j 。二生冲击和振动而激发的噪声，主要有：活塞敲击噪声、齿 轮u 悄合噪声、配气机构噪声、高压油泵噪声、轴承噪声和不平衡惯 陀j 引起的机体振动和噪声。机械噪声一个主要特点与转速有非常 督的关系，当发动机高速运转时往往成为主要噪声源。当内燃机 j 0 转速超过3 0 0 0r m j n 时，机械噪声明显上爿，每增大转速l 0 0 茎堡堡三2 型丝! 兰堡丝兰；= 一 一n l in ，整机噪声将上升o 5 o 7 d b ( a ) ，因此采用i ! 彳如改善燃烧过程、 腆觇律、结构设计或增压等措施来强化内燃机技术经济指标，把 _ 、j ( 轭妇：适! 降低，控制在3 0 0 0r m i n 左右，将仃利丁i 机械噪声的 j 卞制。 - ，；，e 动力噪声是由于气体的非稳定过程，政肯b ! 气体的扰动、 i ”2 j ：沏体的相互作用而产生的，一般呈低中铖特性! 高速气流 i l7 排i 门运动变化截面时则产q 二涡流高频噪，l 。找旧内燃机用空 e 沁；舟搽和冷却风扇，设计时一般很少考虑控靓其n 谗声，因此进气 一戈j t lu 、1 噪声有时也成为主声源。进气噪声是内燃 l 的1 二要噪声源之 ，| f i _ 压内燃机的进气噪声仅次子排气噪声，l 瓜噌压发动机的进 7 e 峨，“f ：往是最强的声源。降低进气或排气噪p 二 j 麦? 济有效的方法 j 亡，逆7e 或排气管口加装消声器 小| 1 犁ql 妒 ：| l4 l 消 j 器， 般 * i 川眦套设计，爿能达到消声。能良好。 2 4内燃机表面辐射噪声 止1 辐射噪声在发动机诸噪j ；j 中，- 有较火l ：洌4 竽刖址。l 进捕 汕j 一 i 通过改进消声器结构得到进一步的衰减之后，表面辐射噪声 ，一c l ij1 i 导地位了。表面辐射噪声是由发动机表面振动引起的，取决 j 儿功f j l 表面振动响应的大小。表面振动响应与发动机的激振力和 ，i = 。h 振动特性有关。研究发动机表商噪声，厅是研究发动机 门一种激振力及其传播途径，另力郦是研究；1 陶的振z 巩4 、 忡，n j ：i ? j1 l + 越本课题的研究方向。 r ，隆发动机表面振动的激振力很多，芋要是膨：烧力，其i j l = 是活 一 f _ u 敲击力、惯性力、气门落摩力，还有齿轮传动系统及油象系 觅卜设振力。各种激振力传递到发动机噪声辐刺茛嘶有不州的传播 盘卜柴油机燃烧引起的气体爆发冲击，使气缸，矗和机体产7 l 变形 1 ：川、二山这种振动进而传递到气女l 盖罩和进、捌气管等零件。这些 i “j 照如 墼三量蜜鳖丝堑垫堡堕塞一 g 仆侵以各自固有的振型作振动。另一方面，作用于活塞顶部的气 “力和惯性力的侧向分力使活塞对缸套产生搏击，从而诱发气缸 垂和机体的振动。这种振动不仅会使机体表面辐射出噪声，而f l 其 一部分还传递给正时齿轮室盖、正时齿轮、机油冷却器体、油底壳 乎，使这些零件辐射出噪声，同时沿活塞、连卡1 、曲轴、主轴承、 | = j l 仆尼f j 侧壁传递振动，特别是曲轴弯曲振动，会引起生轴承盖和 l 仆磺隔板前后弯曲振动，导致较大的机体龙门侧壁变形，披通常 公发出大量辐射噪声；振动从机体底面还传到油底壳，使之眦辐射 j j 、绩喋声。此外还有喷油泵及证时齿轮驱动的激振力，进排气门 刖u 以油嘴针阀落座时的冲击力等，它们分别以一定的周期， l 接或 【盟过轴承间接地激励发动机各部位，使之辐射出噪声。 作发动机中不但内部激振力很多，且各激振力作用的周明 i 各 1 ：棚同。由于振动力是冲击力，故几乎包括所有频率成分；同时被 激抓的发动机各部分构造十分复杂，多数零件又是用螺栓机械地联 系化一起，分别具有无数的固有频率。它们或者独立，或者短合起 牝u 荐 固有的振型互相影响，引起复杂的振动，再沿不同途径传 ，盟，最肝由于发动机表面的振动而辐射出噪声”j 。 发动机结构的振动特性可用颁率、位移、速度、加速度等物理 ；a j 述：当发动机外部结构表面的自振特性和激振力频率致时， 。幺冬什将发生共振并辐射出很大的噪声。为避免发生这一f 肯况，应 卉二j ，享握整机和各零件的自振频率、振型和加速度响应等确天数 州，睁m 振幅和加速度响应较大的部位采取相廖j 的减振措施。普通 i q 燃机缸体铸件主要是根据结构强度设计的。存研制阶段，逐步改 世内燃机设计，直到它能安全耐久地抵抗脉动激振力。然而，即使 足刚满研制出的情况，缸体仍然有响应于作用力的振动 “。应 ”勋i 凋，只有内燃机外表面法向上的振动( 如弯曲波造成的) j 辐 j 峨- h ，所以确定缸体结构的弯曲特性是很重要的。一股直列式内 然n 缸f 乍以曲轴箱的水平刚度最小，其振幅最大。 秘 茎堡堡三查兰堡! ；兰丝垒塞一一 j f 究发动机表面辐射噪声，首先要对组成发动机的各表面所发 l i “n 【1 荣h 进行排队，以找出主要噪声源。传统的方法是所谓“铅板 ， 浊”，这种方法既和时，又费事。故近几年来，发展了“表面 强腿浊”和“声强法”，测量发动机表面的振动响应和表面附近的 ：j 从而计算出声强i 口声功率。为了寻求降低噪声的途径，并1 i 凶j 每种板和罩盖所辐射的噪声列出准确的百分比次序，重要的是 l 【 ) 川以f 两点：识别母懂振动模式；识别哪些写j 盖和板无需处珊 靛 ：( i ：罩卡多积累b i ，试验结果表明，大多数内燃机的总噪声级 ( 小禽进排气噪声和风扇噪声) 与其设计参数之间有一简单的年匾 j ：；j ，i 叮归纳成如下的经验公式l 2 l ： 三。= a l o g 门。卜6 i o g d cd b ( a ) ( 23 ) ，t i ，为内燃机总噪p 级，单位d b ( a ) ；月。为额- e 转述，单伊，m m ： ，) 乃( 卣释，单位m m 。 2 5降低表面辐射噪声的措施 内燃机的表面噪声是由内部产生的燃烧噪声和机械噪声引起 门它们直接或间接地传递到外部结构的噪声辐射表面以后，通过 i 泶幅蚶表面的振动，向周围辐刺。因此要降低表面噪声，除降低 ，。的燃烧噪声和机械噪声外，还应对外部结构的噪声辐射表面采 f 、违降噪措施：改进发动机结构的振动特性，包括改变结构刚度 _ 址j 1 j 振和在结构上引入附加雠i 尼，衰减振动能量：对发动机零 l j 二隔振、隔声、吸声和减振；减少辐射声表面；对发动机整体 韭ii 群蔽隔声等。 iuj 二计算机及其软件的发展，现在已经在设汁阶段就考虑到降 眨苁功机结构噪声的问题，其基本出发点是设法减少作用于结构上 门正茼和由负荷引起的变形。在考虑静态负荷与变形时，这些出发 。i - j 县体体现于图2 2 。 篁三塞蜜丝垫堡垫型堡皇；一 圈2 2降低发动机结构噪声的措施 f jg2 ，2m e asl 1r eoj e ( h lcee n g in p o js c 1 、臻机向周围辐射噪声的外部结构可分为：基本结构，如曲剁 笪堡堡三垄童丝曼姜篁丝篁坠一 卉、儿佛及气缸盖等；附属结构，包括装在基本 一构上的各种罩壳、 i 。 j 和附件，如油底壳、齿轮室盖、气门室盖、机体侧盖、j x l 冷发 力机的导j x l 罩、喷油泵、空气涯渍器等a 外部的基本结构，如曲轴箱或机体等，不但自本身的外表面辐 j j 较火的噪声，而且在它上面还装有大部分刚属结构。外部结构 1 、【， 振二力的大小，不仅直接决定了由其表面发 的噪声，而且也问 奠地：影响到附属结构表面所发d 1 盼噪声。从降低噪声的角度对外部 ? i 进fj ：改进，主要方法有：加、改变壁厚、减少辐射表嘶面积 ，j“n 0 资料认为l ”，对恒定的输入力来说，纷陶共$ i 的振1 1 j f i j 频 苷j ，kj 互比，所以提高结构刚度使助：率显著提高叫，口j 以减少结f i = j 的 n 似是，由噪声预测和实验采：叫，内燃机 ! 零件辐射噪声商， j r 小定是刚度不够所致。例如自的机型机体增咖刚艘可以降低噪 h ，仃的增加刚度对降噪却不起作用或起反作川。吲为有的机体槎 ? ，i ；= h 0 度已足够，有的可能因增加刚度的部位错误造成传递导纳上升 i 瞄“放大”噪声。正确的方法市是根据噪声预测的结果修改加强 b i f ；状和位置甚至降低一定频率下的结构刚心，改变其吲订频：钲 t knr 丑廿纳特性，避丌激励使其小致于在咳固订频率振弘i 。f 中j l l j n 土刮降噪的目的l “。 ( 1 ) 机体低噪声设计的措施 帆f 4 i 振动是内燃机振动的一种主要形式( 射一种手要振z 讪形j 弋 勺l 】_ ! 轴抓振) ，它通过其振z 巩表m 甸外界辐射噪r 丑。l 1 胁 外仃 j ：札t 化定需在内燃机的机体和支承处进行振j 测l f ，要水jl 振动 烈j 二叫9 i 动速度的最大均方根值可i 大于2 8 m j 卜j 。 从发动机本体辐射出的噪声，大部分都是吐i 发动机外表面振动 1 “的其中机体的表面积大，而且受到燃烧力和惯性力的随接激 “。j ，昕以抑制机体壁的振动，对j 。降低发动机 | t 噪声最为仃设。 e 、f 止儿体的振动减小，尚c q + 降低安装于其上的油底壳与备罩、盖 楚二，伟n 0 辐射噪声。 篁三重蜜堡! ! 堡垫塞! 堡生；一 ，j l 起机体振动的原因很多。如活塞、连杆机构等运动件冲击缸 ( ：、轴承，曲轴不完全平衡力和力矩对机体的冲- 旨，曲轴扭转振动、 坝川振：锄和弯曲振动对机体的冲司f ；都是机体振动的激励源。改善 1 儿休振z 锄激励源的各种方法，是扛制机体振动的有效措施之一。如 ，l ，、确偏心、活塞环倾斜可减轻涵寒对气缸的冲击。曲轴的合理甲 确- j 采j 4 欠平衡、过量平衡和偏胃平衡等。单缶1 机的平衡问题更为 趣，双轴平衡可有效地降低机体i i 动，z h l l0 5 柴油机即采用了 议轴、f 衡机构。 机体结构设计相当大程度上韪矗：总体设计阶段决定的，首先是 帆f 1 、f 螟结构型式的选择，应该杓“! = 时作出决定。目前车辆用柴油 帆机体的基本结构型式区别主要戋现在曲轴箱氚分，尤其是曲轴。| 】 山 k 以卜部分。因为噪声主要是j k 这些部分辐剔出来。z h l l 0 5 柴 m 机采 日水平卧式结构，曲轴箱部分成为一个判闭的箱体，这一特 诛纯构仃利于增强其刚度。从结构和强度的观点来看，立式发动机 | ：】l 体l h l 轴箱下部除了增强发动机刚性外，基本上是作为发动机安装 之梨，燃烧压力和惯性力主要作用于曲轴箱上部和气缸体。f 部的 璃别噪声在很大程度上取决于横隔板前后振动丽产生的振幅。目前 叽仆的擅本结构有图2 3 所示的四种，其特点分析评价于表2 1 j 6 j 。 从l - i t 比较可见现代柴油机机体广泛采用的方案是a 和d ，其中各 一j n 勺l 哑进措施如下： ，山案：第一点，采用波纹形气缸体与曲轴箱侧壁，波纹壁。- j ，l | | 靖仃效地抑制面上振动；第二点，适当加聍曲轴箱的横隔板、 0 人筋的截面、加大横隔板对气缸体水套底板及侧壁的过度矧角， l 阶低噪声有利；第三点，适当增加曲轴箱侧墅和底面厚度。在考 g 符恻| f 结构时，应尽可能使各截面均匀地承受拉应力而1 ：是弯j 照 j j 。 # 别是气缸盖螺栓和主轴承盖螺栓中心尽可能通过气缸体侧壁 f 机体横隔板厚度的对称面。波纹形气缸体有助于实现这要求， 这小俎对振动噪声有利，而且也有利于气缸盖垫片均匀压紧，形成 哟二j 连续的高比压密封带。 d 方案：首先，上述四项措施电同样适用于d 方案；其次，增 。+ f 曲轴箱改善了机体横隔板变形所激发的侧壁振动。 c d ) 图2 3 机体结构的四种垒式 f ig2 3t h e4 k 1n ( 1so fb lnoks t i l ic tl ir 。 a ) 深裙结构b ) 无裙结构 c ) 有油底壳加强板的深裙结构d ) 带曲轴箱的无裙结构 - 二1 罩壳和盖板设计的低噪声措施 从找国的实际出发，投产。l 种完全按新原珥【殳训成的低噪声发 、n ij j 殳本很大。在这种情况下，必须注意老产一销的改进，疗而廊 j 从噪声源去降低其噪声；另力【f l ，应着吡r 外壳、骂f 和。盅扳 ：j l 。世，油底壳、一时齿轮室盖和气门室罩刘发? 力h l 噪一i 的 # l l 川f k 、州叫，还应研究采用隔声板( 罩) 和吸声利利的方 点术降低发 j jf 0 噪声。对于罩壳和盖板，口j 采取以下减咣措施：改进结构； j 【已材料；采用层状材料和隔振等。 凸晒出骂昌 a b d 袁2 1机体的基本结构方案 t a b 21t h ee le m e n t a r vs t i uc t u r ek in 1o f b lock 优点 ：a 蹦f i 一址和改进措施 1h 宣姨支架和附佴托l 拉】侧壁舯，j 螅壳抓动凡 i轿4 掉“，柴汕【j i 采 2 较十 i ! “目【坚体萼曲刚隍i2剞、”。整，* 幢 3 f l 十盟轷l 汕底壳扑、：n 上扒功山fi埘j 、六1 lf l 舡，“ 2 ，k 木f e ! 世夫 2 整机的弯州tf ：埘m k ，t 采取眦掀措施 3 艇动肌主j ：和咐+ 【架奠 ) ：水。鬟；l 汕 【j in 1 。 蝼蹙限制轴“啦山紫汕帆 l 痒易宣毡支架和附件托l 机体宸口强髓w 足够刚小e - s a 6 d l4 0f i 址h 驰 慢使重t 州h 肛l ：汕l 、l ! 、n 自【鬯体巧曲刚腔2 成4 3 r lr 刚壁和汕庇壳妊柚 j 埘降低a 型噪声自 l l h 帅轴耥侧壁和油底l 战小岛l 耻f l ；牟j 扎十4 性i ，j4 一抓础小2 对p 台生l 轴小 t 型i - f l ：“，1 1 ，舀f 2h 硝友蝗盘架和附件托 载t 牟 ：0j 慢h 小垃a 、2曲- + i ot f j l f # ，i f n 产 b 盯窠 3k 动机整体弯曲刚度好 4r f 盐略舟于a 但轻rc - l | 7 塞堡堡三查兰堡! ：兰篁竺兰一： 第三章内燃机现代设计理论和方法 3 1概述 铀_ i ：现代i + 程技术的发展，各种机械、结构的振动、| l 蚺j j 问题 j ili 磕突出，迫使汽车、船舶、机床、电气机械、工程机械、建筑、 抗，i 。、航天等部门从动态的角度考虑他们产品的性能。i 】于这4 j 产 。i “h 助率日益增大，重量相对减轻，结构刚度小断减小，埘产品的 i f 1 ：精度要求越来越高，对振动、噪声的限制越束越，”惭，此， 虬的功态性能常常成为机械产1 1 追求的重要【f 杯l 。 h l 微系统的动力分析问题大敛可分为三类： ( 1 ) 已知输入( 激励) 和系统特性( 动力 ，性或数。学摸，弘) ， k 输j l ( 响应) ，此为响应预测j 、u j 题： ( 2 ) 已知输入和输出，求系统特性，此为系统u ：别叫题： ( 3 ) 已知输出和系统特性，求输入，此为数荷识别问题。 j 类问题中，第一类问题是， 程中主要遇到的问题，本课题晌 j f 究疗向即解决在内燃机产品中的此类问题。为求得l 枉系统对外 水激哟的响应，必须事先知道外界激励和系统特性。一般情况r ， 卟y ! 激呦可通过分析计算或实测得到，因此问题便集q ， - 如i ：! 柑 二& 爿：的! 巩力特性。由于实际结构远比理想的构f 1 ( 弦、架、扳) 复 1 j ，l 有的动力特性很难用古 | i 的振动分析力法j k 得，j 町i 二功 lj 匙纯州当长的一段时问内不易事握与控制。 6 ( ) r 代以来，在振动领域中，测试技术、分析技术及汁鳍披术 沁一芒阵起来，加之先进的电子仪器和计算机的发眨，使甜纶阳：力 0 ，圻的研究进入了实用阶段。人们已有可能刖理论的乃浊或j ；i l 沦 丝三童蜜竺! ! 丝垡丝生些篁塑童丝 ：一 = = = = = = = = ；= ；= = = = ；= ；= = = = = = = = = = 一一 一 t j 测试相结合的方法对机械结构作动力学分析，找出它们的动力特 r ，解决产品的振动、噪声问题，甚至还有可能找到结构动态设计 1 向女：佳方案与参数。 | i 自h ，对产品动态性能的研究，有两种基本方法。一是本课题 畏川的有限单元法，这是将弹性结构离散化为有限数量的具有质 ，；：、弹悱特性的单元后在计算机上作数学运算的理论汁算方法。这 ，j 浊旧巨大优点是可以在设计之卒7 j ，根据设训图纸，使劲! 知产i 内刈念一r 能，刈以在产品试制出来之前预估振动、噪声的曲j 度和其 匕刮j 念问题，爿可在图纸阶段改变结构形状以消除或抑制这些问 题。f j | 限元法的不足是计算繁杂，耗资费时。日j 使有现成的程序可 耻利j 目，所费1 时也很可观。这手叶r 方法，除要求汁算肯千j 熟练的技 l 0 t j 经验外，有些参数( 如阻尼、结合面特征等) ，目自“尚尤办法 确定。闪此，利用有限元法计算得到的结果，j i 能是一个近似值。 f f i 川为如此，大多数数学模拟的结构，在试制阶段常应作全尺寸样 h j ：山态试验，以验证计算的可靠程度并补充理论计算的不足，特 制z - j_ j 重要的或涉及人身安全的结构，就更是如此。 i2 、i p 生产中另一种经济有效的方法是试验模念分析技术。酋先， 叭川l 仃的知识和经验，在老产品的基础上试制出台新的样机 ( k 馍，型) ；其次，用试验模态分析技术，对样机作全晴i 的测试与 分机，获得产品的动态特性，由此以别出系统的模念参数，建0 ：数 、产他，鬯，进而了解产品在实际使用中的振动、嵘声、疲劳等现史问 1 坦： 耳次，在计算机上改变产品的结构参数( 斯不是改变实物) ， _ 广自* 功态性能可能获得的改善程度，或者反过来，设计者事先指定 圩z ：j 力特性，由计算机来回答所需的结构参数( 质量、刚度、m 尼) ：门。变链。另外，设计者也可以在计算机上模拟各种实际的外部激 _ j ：f j ? j 之街参数改变前后的任何部位的响应。完成上述一l ：作后，人仃j jf 1 肌j e 模型的动态性能及其改进方向便有了可j 确的了解。 ff j i 的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机地结 ；爨 武汉理 二人掌坝j 学位论义 ? 起_ ：取长补短，相益得彰。利用试验模态分析结果检验、补充 剐”f ：原始有限元动力模型；利用修j 下后的有限元模型计算结构的 、u 4 # 陀和响应，进行结构的优化设计【9 1 。 h 燃机是机械产品中的一种，是更加复杂和精密的技术系统， 正j l _ l 、f 也、热、功于一体，结构紧凑，工艺要求较高，所以内燃机 。冀i 划现代设计理论和方法的要求和依赖就更加迫切、更加息息相 ，、 f 吧f 内燃机设计的重点应该放在综合应用现代没计理论和方 j 、，建，、，：各种数学模型，在计算机一 ：进行模拟，不做或少做试验， i k “阶段就把发动机的性能乖l 结构以及未柬r 、1 r 7 1 0r 5 质确定p 4 ：。l if 】这样，i 能大幅度缩短波引、丌发周卜，抛l 自。没汁质龄； 虻f 7 f 、；i f 幺强调的是把高质量的设训刖到产品叶t 、，而1 i 是等剑发现 t ”f 贞：i t 问题再试者去解决。 3 2机械结构线性振动基础 帆械动态设计的建模过程是基于对系统的数学描述即根掘所 ”允站掏对象的基本物理定理，用运动方程或# - j 动方程加以表达。 巫小，把机械结构作为个多自由度系统柬处群。 32 1 结构振动系统的简化 复杂结构系统很难用运动力种来全面i 描迓。通j 菅，为了 l 卜? k 孵实际结构系统的数学规模，刘问题