柴油机主要零部件振动特性及辐射噪声分析[1]

1、小型内燃机与摩托车20042研究分析柴油机主要零部件振动特性及辐射噪声分析黎苏张铁臣苏琴(河北工业大学天津300132)摘要:本文以95型柴油机为例,用有限元法计算了其传递特性和振动响应;并通过试验记录了各主要外部构件的振动特性,得到了10000Hz以内的频谱图;同时,还用声强法测量了标定工况下的辐射噪声。计算和试验结果显示油底壳、缸体、正时齿轮盖是该机最主要的辐射噪声源。文中还探讨了降低辐射噪声的途径。关键词:柴油机振动辐射噪声AnalysisofVibrationCharacteristicandRadiationNoisefortheMainPartsinaDieselEngineLiS

2、uZhangTiechenSuQinHebeiUniversityofTechnology(Tianjin300132)Abstract:Thedeliveringcharacteristicandvibratingresponseonthe195typedieselenginewerecomputedapply2ingtheLimitedElementMethod.Werecordedthefrequencychartforvibrationofitsexteriorparts,andacquiredthefrequencyspectrumdiagramwithin10000Hz.Whats

3、more,wemeasuredtheradiationnoiseatthemaxoutputstatususingtheSoundIntensityMeasurementMethod.Thoseallsuggestedthattheultimatemainsourceofradia2tionnoiseisthedrainpan,thecylinderblockandthetimemodifyinggearshell.Theapproachestosolvetheprob2lemofradiationnoisealsowerediscussedinthepaper.Keywords:Diesel

4、engine,Vibration,Radiationnoise1引言柴油机是个复杂的噪声源,当进排气噪声引出之后,其表面辐射噪声便成为主要噪声源,这是机械噪声和燃烧噪声综合作用的结果,各种激振力通过一定的途径传递到结构表面使之振动而向周围辐射出噪声。因此,要寻找柴油机的最大辐射噪声源,就需要研究柴油机各主要外部构件振动噪声特性及主要频率成分,研究激振力和结构响应的关系,使激振力在传递过程中衰减,从而降低表面结构的振动和辐射噪声,这是降低柴油机总噪声的重要途径。在频率域内有:)=H()Y(X()、)激励和输出时域函数x(t)、式中X(Y(y(t)的付氏变换;)H(系统的传递函数或频率响应函数。对

5、一定结构的机械系统,当质量、阻尼和刚度一定)只是频率的函数,它反映了系统的时,传递函数H(固有特性,而与激励无关。用有限元法对结构进行计算时,需先将结构离散化,形成质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C,内燃机机体结构通常可视为小阻尼系统而予以忽略。当给定频率域载荷X()后,即可求得频率域的位移、速度、加速度响应。如令)=1,则有Y()=H()1=H()即X(可求得频率域内的响应。在95型单缸柴油机结构传递特性及振动响应的有限元计算中,整机结构除各种固定件外,还包括活2结构传递特性及振动响应的有限元计算对于线性系统,若有一个激励或输入,则就有一个响应或输出。线性系统可以是单输入单输出系统,也可以是

6、多输入多输出系统。根据线性系统理论,13© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.小型内燃机与摩托车20042研究分析塞、连杆、曲轴等运动件,末计水箱、油箱、空气滤清器和冷却水及润滑油。计算网格图见图l,该机具有整体铸造式缸体,由侧面l、2,上下面3、4,前后面5、6,油底壳7和正时齿轮盖8组成。计算中将缸体简化成板、梁组合结构,即将加强筋用空间梁元模拟,其上铺板便形成机体外壳,缸套、活塞、油底壳、齿轮盖均用板元拼组,用梁元模拟连杆、曲轴和主轴承座。采用了释放自由度的方法模拟有相对

7、滑动和转动的连接关系。在频率域内向活塞顶加上单位激励以模拟最大的燃烧冲击载荷。为了验证计算结果,采用时间分离技术,对95型柴油机的表面振动进行分析,即用多通道磁带机记录该机在标定工况(8.8kW,2000r/min)下运转时主要外部构件的时间域振动信号,再通过付氏变换得到其10000Hz以内的频谱图,见图3。由图可见各部件的振动特性差异较大,其中油底壳的振动最为强烈,多在2000Hz以内的频率范围;气门室罩盖的振动频率较高,峰值出现在5000Hz左右,但它的面积较小,故对总辐射噪声的贡献并不显著;缸体和正时齿轮盖的振动所处的频率范围较宽,在5006500Hz内均有较大贡献。因此,油底壳、缸体和

8、正时齿轮盖是该机的主要辐射振动源。图1有限元计算网格图计算结果输出了该机外部主要表面上各节点在500Hz8000Hz内垂直板面方向的位移、速度、加速度响应值。图2为缸体侧面、油底壳和正时齿轮盖在不同频率下的加速度响应曲线(实线)。计算结果显示,油底壳振动辐射噪声主要在低频,缸体和正时齿轮盖振动辐射噪声的频率范围较宽。图3各主要外部构件的振动加速度频谱图振动测量结果与前面的定性计算结果是相吻合的,即油底壳振动主要在低频,缸体和正时齿轮盖振动的频率范围较宽,特别是油底壳和正时齿轮盖的面积大(齿轮盖的面积约占缸体侧面的1/2),是该机最主要的辐射振动噪声源。在测量表面振动的同时,我们还利用复声强法测

9、量了该单缸柴油机在标定工况下的表面辐射噪声,测量面距柴油机表面为17cm。图4为该机正时齿轮盖侧的等声强线。结果显示,由于引出了进排气噪声,油底壳和正时齿轮盖成为最主要的辐射噪声源,此外,水箱和油箱对噪声的贡献也较大。图2不同频率下加速度的响应曲线图4声强等值线图3主要零部件振动特性及辐射噪声的测试14© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(下转第17页)小型内燃机与摩托车20042研究分析1)传感器电路的低电平信号跳变为高电平信号,经过非门后在INT0端产生高电平到低电平的跳

10、变,因此产生下边沿触发中断。外部中断0向CPU请求外部中断,CPU响应后暂停主程序转入外部中断处理程序。2)外部中断处理程序对P1口各个引脚依次查询,判断是哪个引脚发出的中断信号(在本实验系统中只使用了P1.0口,其他未使用引脚一律接地),再转入相应处理子程序。3)在转速脉冲信号处理子程序中,首先检查计数器的数值,如果该数值为0则说明这是第一个脉冲信号,如果这个数值大于0小于5则说明这是个中间的脉冲信号;如果该数值为5则说明这是第六个脉冲信号,也就是一个周期的最后一个脉冲。4)若计数器为0,则启动定时器T0,计数器加1,返回外部中断处理程序;若计数器为14,则仅仅将计数器加1,返回;若计数器为

11、5,则定时器T0停止记时,计数器清零,进入转速计算子程序。5)转速计算子程序将定时器T0中的内容取出,将定时计数器记录的溢出次数乘以定时器最大定时时间(本系统中定时器T0工作于状态1,最大定时时间为65.536ms)再加上T0中寄存器的数值,就可以求得整个周期的长度。计算公式如下:T0×0.001+定时计数器×65.536=T(ms)把周期长度数值存放在数据存储器中覆盖旧的周期长度数据,以备在需要向PC机发送的时候调用。将T0和定时计数器的内容清零,计数器清零,返回外部中断处理程序6)外部中断处理程序结束,返回主程序。4实验及结论用Cx51编译器将写好的C源程序编译成为十六

12、进制文件(HEX),再使用编程器将编译好的十六进制文件写入EEPROM,将EEPROM插入单片机实验板。加电后检查各引脚的电压,将MAX232的T1OUT引脚引入示波器,将实验板同PC使用串行线连接好,引入转速脉冲信号,调出PC机VB程序,可以观察到界面上的转速数据、曲线同实际测量的转速数据、曲线相近,误差在5%以内,满足发动机转速测试系统对转速的要求。参考文献统M.湖北:华中出版社,19972何立民.单片机应用系统设计M.北京:北京航空航天大学出版社,1990(收稿日期:2003-04-14)(上接第14页)域内的响应下降较明显,正时齿轮盖在多数频率下的响应有所下降,而在高频域内下降不甚明显

13、。可见提高刚度可抑制该机的振动噪声响应,这对各种类型柴油机均具有参考意义。对罩壳、盖板类结构采用增大阻尼的措施最为简单易行。常用的弹性阻尼材料是具有较高力学内耗的高分子材料,涂敷在受振构件表面或粘合在金属板之间,当结构振动而产生弯曲变形时,阻尼材料产生剪切变形,它的内粘性摩擦将部分机械能转化为热能,可有效地降低辐射噪声。95型单缸柴油机中可在油底壳、正时齿轮盖、气门室罩以及水箱、油箱等构件内壁上涂敷阻尼材料,能对减振降噪产生一定效果。参考文献l23刘仕民等.传递函数在发动机噪声分析中的应用北京汽车,1982(2)(收稿日期:2003-04-10)4降低表面振动与辐射噪声途径的探讨控制柴油机表面振动和辐射噪声不仅需要控制激振力,还需要控制结构的振动响应,控制激振源和辐射源是振动噪声控制的两个重要环节,应给予同样重视。但控制激振源涉及到柴油机的性能和主要参数,不能轻易变动;控制辐射源问题相对较少。特别是罩壳类结构,它易于变动而收效显著。因此,降低柴油机表面振动与辐射噪声的主要途径是提高结构刚度和增大阻尼。95型单缸柴油机的计算和测试结果均表明,油底壳和正时齿轮盖是最大的辐射振动噪声源,但它们是连接在缸体上的附属结构,故加强缸体的刚度和加强连接