陳興元

摘要：本文將開發(fā)新的兩沖程汽油發(fā)動機。本項目旨在滿足二沖程發(fā)動機研制過程中的噪聲和振動要求。目的是在不影響高功率比、低排放、低油耗和多平臺應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用目前在噪聲、重量和減振方面的最新技術(shù)。對現(xiàn)有發(fā)動機進(jìn)行了整體振動，確定了主要頻率范圍和振動水平。對所提出的新型發(fā)動機進(jìn)行了有限元振動仿真，并提出了改進(jìn)措施。并對所提出的和改進(jìn)的發(fā)動機模型進(jìn)行了噪聲輻射仿真，以保證噪聲的均勻分布。

關(guān)鍵詞：車用汽油;發(fā)動機;減振降噪;改進(jìn)開發(fā)

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0009-02

0? 引言

本文分析了三種發(fā)動機的平衡計算。還包括排氣系統(tǒng)背壓、催化轉(zhuǎn)化器的使用和新材料對發(fā)動機部件的影響、發(fā)動機表面熱損失的計算。新發(fā)動機的排氣和進(jìn)氣設(shè)計用于完成系統(tǒng)。對進(jìn)氣和排氣進(jìn)行了參數(shù)分析。最后，利用聲強技術(shù)對發(fā)動機進(jìn)行了噪聲輻射測試，確定了可能的主要噪聲輻射源。

1? 車用汽油發(fā)動機材料

發(fā)動機噪聲的主要因素，特別是非常麻煩的中高頻部件，是支撐曲軸的主軸承艙壁和蓋的縱向振動。氣缸內(nèi)的燃燒氣體力使這些零件移動，進(jìn)而使缸體裙座和油底殼振動，從而產(chǎn)生噪音。通過用橫梁將軸承蓋牢固地連接在一起，主軸承艙壁和軸承蓋的縱向振動得到抑制，缸體抗扭轉(zhuǎn)和橫向彎曲的剛度也得到提高。這使我們開發(fā)了集成的主軸承蓋和橫梁。

通過振動臺試驗、全息干涉分析和發(fā)動機臺架試驗，對發(fā)動機降噪效果進(jìn)行了定量評價。通過對閥門系統(tǒng)振動和噪聲產(chǎn)生機理的研究，發(fā)現(xiàn)閥門系統(tǒng)的異常運動即跳躍和彈跳現(xiàn)象是振動和噪聲源的主要因素，系統(tǒng)各部件之間的碰撞成為一個問題。用FC 200模擬了材料對曲軸箱振動特性的影響。剛度隨曲軸軸套和曲軸軸套厚度的增加或減小而變化。闡明了圓柱體的剛度在高頻范圍內(nèi)對固有頻率的影響最大，重量對低頻范圍內(nèi)的固有頻率影響較大。因此，在測量頻率范圍內(nèi)，曲軸箱和曲軸軸頸的剛度越高，重量越輕，可以減小缸體的振動應(yīng)力。

通過單獨處理，可以降低發(fā)動機表面的噪聲。組件或通過修改輻射表面。消除或消除噪音。通過改變翅片的特性，使諧振頻率消除。采用有限元模型和試驗?zāi)B(tài)分析方法對改進(jìn)型水頭進(jìn)行了簡諧分析。通過微調(diào)結(jié)構(gòu)來降低曲軸箱總成的噪聲，從而消除與噪音有關(guān)的頻率。

對整個噪聲系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。它包括噪聲源分析、傳輸路徑分析和輻射表面分析。利用聲學(xué)測量了輻射表面的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，從輻射源到輻射面的最大力傳遞路徑是通過連桿到曲柄軸，主軸承到缸體。連桿或曲軸的修改并不容易，因為它們的固有剛度受到了嚴(yán)重的限制。因此，主要的工作是對主要承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。這些階段是概念和設(shè)計階段、燃燒和機械發(fā)展階段以及NVH發(fā)展和細(xì)化階段。[1]

2? 車用汽油發(fā)動機減震降噪改進(jìn)開發(fā)

通過增加阻尼和降低熱輻射效率對正時罩進(jìn)行了改進(jìn)。對不同厚度的有機玻璃、鋁板、橡膠阻尼層和復(fù)合橡膠/鋼板阻尼層進(jìn)行了測試。塑料薄板輻射效率低，可降低噪聲排放。在概念設(shè)計階段的早期，發(fā)動機結(jié)構(gòu)的噪聲特性可以通過以下方法進(jìn)行優(yōu)化：振動模擬這種方法確保了第一代引擎硬件已經(jīng)在結(jié)構(gòu)上對噪聲進(jìn)行了優(yōu)化。采用具有高剛度的蜂窩狀結(jié)構(gòu)來容納顆粒填充物，這為設(shè)計顆粒材料的分布提供了可能性。

作為一個具體的應(yīng)用實例，以某型內(nèi)燃機油底殼為例，研究了油底殼對振動特性和聲發(fā)射的影響。采用激光掃描測振法研究了蜂窩結(jié)構(gòu)以及顆粒質(zhì)量、分布和類型對結(jié)構(gòu)振動特性的影響。在此基礎(chǔ)上，確定了一種優(yōu)化的填充方式，并在發(fā)動機臺架上通過聲學(xué)陣列的測量驗證了其噪聲抑制水平。利用有限元方法對結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行了數(shù)值模擬。固有頻率和模態(tài)形狀可用于驗證目的。然而，重點是發(fā)動機結(jié)構(gòu)的受迫振動和載荷。邊界條件盡可能切合實際。在布局設(shè)計階段，對整個工程進(jìn)行建模。模擬的目的是最終得出一個結(jié)構(gòu)，顯示出在外部表面均勻分布的振動水平。[2]

2.1 在發(fā)展階段，典型的噪聲發(fā)展工作由四個部分組成

階段：修改的分析、測試和開發(fā)、修改硬件的采購、最終測試和改進(jìn)。得出了兩階段模擬的結(jié)論，需要處理。第一階段側(cè)重于趨勢預(yù)測;第二階段在設(shè)計階段意味著在考慮所有顯著噪聲的情況下進(jìn)行模擬。研究了各種結(jié)構(gòu)，對噪聲進(jìn)行了控制測試。設(shè)計并測試了兩個加勁肋，以降低發(fā)動機低端、單缸框架的振動，在曲軸箱法蘭和一個軸承梁上引入剛度。在主軸承蓋處引入剛度。加勁肋通過聲強測量和移動性測量進(jìn)行了評估。階梯架的降噪效果很好，但軸承梁只引起軸承模態(tài)的頻移。油底殼的解耦導(dǎo)致了巨大的噪音和振動。一種略為改進(jìn)的輻射計算模型提出了小不規(guī)則板的效率建議。降低噪音源，通過更平滑的氣缸壓力開發(fā)，小活塞孔間隙或緩沖裝置納入活塞。通過加勁和劃分鑄造曲軸箱和水套板來降低發(fā)動機結(jié)構(gòu)薄外表面的振動，將剛性罩的噪聲輻射區(qū)與曲軸箱和缸體鑄件的振動隔離開來。Shigehoro降低了直列4缸的往復(fù)慣性質(zhì)量。發(fā)動機減振33%，使發(fā)動機振動降低4dB。降低發(fā)動機噪音的活塞二次運動和活塞通過改變發(fā)動機的運行和設(shè)計參數(shù)。提前定時，提高內(nèi)襯溫度，提高速度，增加環(huán)張力，增加活塞摩擦，使活塞沖擊強度增加。[3]

2.2 柴油機的降噪工作主要集中在結(jié)構(gòu)

以及發(fā)動機的輻射表面。燃燒強迫函數(shù)多年來受到了廣泛的關(guān)注，產(chǎn)生了兩個彈簧噴油器和先導(dǎo)噴油器等特點?；钊膿艉皖^頂間隙也是降低噪音努力的主題。燃油系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)阻尼器、曲柄齒輪隔離器和后齒輪傳動系統(tǒng)可以降低齒輪沖擊噪聲。由于曲軸的振動，汽油機的噪聲來源被確定為在主軸承區(qū)域。燃燒噪聲是燃燒噪聲的主要來源。發(fā)動機噪聲在較低的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（約45Hz），機械噪聲是發(fā)動機較高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的主要噪聲源。一種新的單缸步進(jìn)活塞發(fā)動機，因此，需要對發(fā)動機的振動和噪聲動態(tài)行為進(jìn)行預(yù)測。減振降噪主機開發(fā)問題為新發(fā)動機的成功設(shè)計提供了依據(jù)。為了克服設(shè)計初期建造原型所需的時間和成本過高的問題，仿真方法已成為當(dāng)今工程師的主要工具。在發(fā)動機中，由振動質(zhì)量和振動引起的主要激勵力。通過曲軸的主軸承，將燃燒過程引入缸體和氣缸蓋。傳遞到發(fā)動機表面的能量導(dǎo)致表面振動導(dǎo)致這些表面的噪聲輻射。前一章對現(xiàn)有單缸發(fā)動機的研究表明，單缸發(fā)動機的振動頻率范圍可達(dá)2.5kHz。這意味著有限元模型的工程和部件應(yīng)該能夠描述這些部件的動態(tài)行為，頻率為2.5kHz，采用有限元法對二沖程汽油機的振動特性進(jìn)行了研究。特征模與主觀模式描述的關(guān)聯(lián)是基于特征向量的計算機動畫。結(jié)果表明，氣缸蓋的模態(tài)主要由氣缸蓋控制。[4]

2.3 研究模型

該方法所特有的簡化無法量化。假設(shè)經(jīng)常在結(jié)構(gòu)動力學(xué)實踐中遇到的問題包括：節(jié)點約束的近似值、節(jié)點剛度、集總質(zhì)量特性等，因為通常采用有限元模型。由眾多的參數(shù)組成的最優(yōu)選擇是一項最困難的任務(wù)，為了獲得良好的響應(yīng)而對其進(jìn)行修改。但是，隨著FEMtools軟件，它將提供輔助選擇參數(shù)的工具。靈敏度表示響應(yīng)值（例如共振頻率）的大小。受參數(shù)值修改的影響。這些值存儲在敏感矩陣中。分析此矩陣提供了有關(guān)結(jié)構(gòu)的敏感和不敏感區(qū)域的信息。圖形化工具允許對這些不同的區(qū)域和快速優(yōu)化的參數(shù)選擇。由此產(chǎn)生的參數(shù)變化被用來重新計算質(zhì)量和剛度矩陣，產(chǎn)生新的共振頻率和特征向量。然后可以繼續(xù)迭代過程，直到滿足收斂準(zhǔn)則。有限元模型將用于靈敏度分析，以確定合適的為減少共振引起的振動，應(yīng)對部分進(jìn)行修改（加勁）頻率，或者，如果可能的話，將結(jié)構(gòu)的固有頻率從工作頻率移開。結(jié)構(gòu)的改造是在不影響結(jié)構(gòu)的主要功能和參數(shù)的情況下，通過增加厚度和肋數(shù)或使用阻尼器來進(jìn)行的。這兩種模式是完全相同的。位移圖顯示鰭底部有較高的應(yīng)力。靈敏度分析表明，為了降低振動振幅，需要加筋的區(qū)域。為了減小氣缸蓋的振動，有一些需要作出修改。從前三個頻率可以看出，氣缸蓋的振動會在氣缸蓋底部引起很大的應(yīng)力。它發(fā)生在底部和鰭之間的連接處。為了減少這種振動，我們需要增加底部的厚度。紅色表示氣缸蓋底部的附加質(zhì)量。需要注意的是，底座系在缸體頂部。這種振動模式發(fā)生在Tlange。一個由于翼緣較長，懸臂效應(yīng)比較明顯。法蘭的自由端具有很高的位移，而另一端的位移較低。我們可以假設(shè)，在身體和法蘭連接處的應(yīng)力相當(dāng)高。靈敏度分析還表明，連接區(qū)域具有高度的連通性。對第一種模式有顯著影響。改變面積會導(dǎo)致頻率漂移，降低振動幅度。這里可以得出結(jié)論，連接是成功的加筋。修改已經(jīng)完成，但要記住，目標(biāo)是輕量級和高剛性曲軸箱。因此，高靈敏度的區(qū)域應(yīng)該被篩選，而低靈敏度的區(qū)域應(yīng)該通過減小厚度或質(zhì)量來增強。然而，不加強的過程應(yīng)該考慮到這一事實，即它不會產(chǎn)生其他問題，如應(yīng)力失效、疲勞和其他問題。

在這種情況下，修改只能根據(jù)模式進(jìn)行，因為它位于可以在不干擾其他主要部分的情況下進(jìn)行修改的區(qū)域，滿足幾個約束的發(fā)動機，如性能，低重量，耐用性，成本和可接受的低噪音水平在運行期間。數(shù)值模擬的使用變得越來越多，更重要的是，幫助工程師在設(shè)計過程中，減少物理原型的數(shù)量，將不得不建造和測試。因此，在汽車設(shè)計中，可用的、簡單而準(zhǔn)確的建模工具已經(jīng)成為必不可少的。在運行過程中，考慮到燃燒壓力和軸承負(fù)荷等相關(guān)影響。結(jié)合發(fā)動機的結(jié)構(gòu)有限元模型，對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了評估。[5]

3? 結(jié)束語

結(jié)果表明，樣機在空載條件下產(chǎn)生了可接受的噪聲輻射量。研究了材料的固有頻率特性、固有頻率與振動模態(tài)的關(guān)系、剛度對固有頻率的影響、材料對剛度和重量的影響。主要強調(diào)的是增加發(fā)動機的剛度，同時也要減輕發(fā)動機的重量。

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