發動機振動噪聲預測中有限元技術的應用

劉 偉，劉鵬飛

山西省太原市中北大學，山西太原 030051

隨著人們的生活水平的提高以及人們環保意識的不斷的加強，發動機設計方面的問題也逐漸走進人們的視野，并以法律法規等制度作為規范保證日益走向科學化的道路。而且對相關領域產生了重要的影響，特別是汽車行業，同時發動機功率也變得越來越強，與此同時在提高發動機輸出功率方面可以從以下方面入手。即改變三個參數，具體來說就是負荷、尺寸和轉速。這些對于振動噪聲而言，其影響也是非常重要的。其實改變參數方面最先考慮的就是轉速，不過轉速的立方與噪聲強度升高的關系是正比例的關系，因此說著會使得發動機噪聲出現驟然升高的局面。為了解決噪聲問題，所以世界上許多的國家只能夠以硬性的法律法規手段來約束。在歐洲，歐共體就公路車輛的噪聲出臺了一些法律法規，其中一條是基于ISO 汽車檢測程序管控下，對于發動機噪聲實施測量，其方法就是在最大轉速最大載荷下加速運動時的噪聲最大值。而在高速柴油機方面，相關研究顯示，假設發動機噪聲的主要來源是燃燒噪聲，那么對發動機的結構進行沖洗能設計就是降低其噪聲的唯一的方式。如果從更大的范圍來看，即若活塞的拍擊與機械沖擊是其主要的，那么可以采用對結構實施重新設計的方法。所以從上述分析來看，最為有效的降低噪音以及振動是采用發動機結構的重新設計。

1 關于有限元模型

有限元網格是基于402 個節點以及618 個單元組成的，涉及實體單元19 個，梁單元182 個，角形平板單元72 個，以及參平板單元345 個。對于發動機整體結構來說它可以分為5 個部分，即氣缸蓋、4 個缸套組群、氣缸體和主軸承蓋，不過缸體呈現不對稱形式，而且具有諸多的加強筋，基于更好的利用有限元模型以及工作量的減低，則可以重復利用缸體的多處網格。通常情況下，以梁單元來代表加強筋，不過需要注意的是板單元與梁單元的邊界條件，因為他們是垂直關系，不同單元的自由度是不同的。有限元分析中質量和剛度是缸蓋的一個非常重要的問題，而對于平板的厚度的確定則是由其它方面來確定的，即靜態變形實驗與實驗材料強度。需要注意的是未安裝缸蓋時，保證缸體上部的剛度遠大于下部，因此實施發動機有限元模擬時，相對于缸體上部，其余部分的網格是實行的精細化的劃分。其實下部的振動特性以及變形遠比上部重要。

2 靜態分析

對于每一個氣缸燃燒室而言，其上表面由缸蓋形成，而汽缸墊是用于密封缸蓋與缸體之間的縫隙的。而且其作用是多方面的，譬如密封冷卻水以及潤滑油等，與此同時汽缸墊還需要承受連接處的熱變形以及機械變形等，基于對密封效果的考慮，需要保證施加在汽缸墊上的壓力的一致性。這牽涉到缸蓋螺釘的預緊，由于此問題的復雜性造成了優化預緊螺釘的難度。通常情況是擰緊螺釘，缸體就會相應的發生變化，從而造成振動和噪聲問題，因此要對缸體實施靜態分析，若汽缸蓋螺釘預緊，不同的預緊力是如何的。氣缸墊和螺釘均可在有限元模型中表示，進行預緊的話就會產生汽缸墊載荷以及均勻施加在去哪不螺釘上的壓力載荷，至于壓力的大小則是由數據給出，螺釘的擰緊力矩才是唯一性的實驗數據，而且可以計算出其壓力數據的。除此之外，若主軸承的中心不能夠在一直線上，則主軸承、軸承蓋與曲軸間會形成一種摩擦力，這種力進而引起曲軸箱的振動，同時輻射出噪聲。因此應盡可能的減少中間主軸承于中心線的變形。可以通過實驗來獲取偏差，同時繪制計算機程序實施計算以及分析，在這個過程中運用了實驗條件下相同公式，而且其分析數據與實測數據是具有很高的吻合性的。基于二者差距是在一定范圍內的，運用有限元模型，對加強筋的位置進行修正等，從而減少主軸承中心線的偏差。從中心線偏差的靜態試驗可知，僅僅很小調整發動機結構，即可以減低振動噪聲。

3 動態分析

首先測試有機體動態模型，進而測試整體發動機，通過相關的試驗以及甲酸的數據可以得知，它們具有較好的相關性。需要注意的是僅垂直于機體外表面的振動才可以輻射出噪聲，因此確定機體結構彎曲模態變形很是重要。從加強強度這一方面來說，豎直方向的剛度作用很大，而發動機噪聲問題的契機是水平方向剛度，因為水平面上的彎曲變形會造成曲軸箱上形成垂直方向振動。其實若振動方向與機體表面平板垂直，即便是較小的振動也會造成強烈的噪聲。其波形基本分為三類，即4 個主要模態，5 個裙部平板模態，3 個局部模態，由其模態振型可知，由上到下缸體的剛度依次遞減，也就是說機體底部振動會輻射出噪聲，從而引起油底殼的振動，同時把站東傳至車身，所以說實施分析機體裙部的模態時，要優化發動機安裝位置，同時還要增加加強筋，為了降低振幅還需要研究第2 個主軸承的模態振型。在此為了較好的了解發動機的模態振型，可以利用模態動畫，并可以在影像膠卷上實施模態動畫分析。由分析可知，對于振動和噪聲級別而言，一部分基本的彎曲模態變形是非常重要的。運用有限元的方法制定簡易模型，通過它來分析計算基本扭轉模態振型和彎曲模態振型，其優點是誤差較小，并且構建以及分析也非常的方便。

4 優化調整發動機振動

對于降低噪聲而言，通過降低發動機曲軸箱底部的振動是非常有效的。因此可以安裝具有較大剛度以及質量的一個底盤，以此限制曲軸箱裙部的過大的變形，從而降低噪聲。在機體有限元模擬中，對底盤也做出了一個模型，通過優化調整底盤的質量以及厚度、剛度等來滿足質量以及振動要求。底盤的設計以及安裝對于曲軸箱裙部的振動具有較強的抑制作用，并且可以減低油底殼形成的噪聲。通過分析可以獲取了底盤的優化形狀，同時對發動機實施測量以及實驗，顯示振動減少了3dB，由此可見底盤降低噪聲的作用是非常明顯的。由增加發動機結構剛度來降低噪聲，因為這一方法提升了振動的固有頻率。

5 結論

在發動機震動哦造神預測中不僅能夠通過簡單的有限元模型獲取較好的模態特征，同時這一模型對于優化發動機結構方面也具有重要作用。因此利用有限元模型修正發動機結構設計會在很大程度上減低發動機噪聲，而且經濟。

[1]范淳.有限元技術在預測發動機振動噪聲中的應用[J].汽車技術，2003(6)：46-47.

[2]博志方.振動模態分析與參致識別[M].北京：機械工業出版社，l990：1045-1046.