發動機振動與噪聲成因與解決方法

于濤

摘要：由于汽油發動機的結構特性，以及劇烈燃燒不均勻等，導致在發動機運轉帶有劇烈振動與噪聲，從而影響發動機運轉的安全性與穩定性。據此，文章以無人機活塞式汽油發動機為例，基于不同結構形式發動機的振動與噪聲成因進行詳細分析，通過被動振動阻隔的方式設計發動機雙層隔振系統，以此切實解決發動機振動與噪聲問題，進而確保無人機的穩定、安全運轉。

關鍵詞：汽油發動機;振動;噪聲;隔振系統

中圖分類號：TPl8;TS51 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0130-03

基于無人機活塞式汽油發動機，受自身結構與燃燒不均勻等要素的嚴重影響，使其在運作時帶有劇烈振動。因此，不論是飛機還是汽車等既有成熟應用中，都會帶有一定的減振隔振系統，以減少或消除振動影響m。

1發動機振動與噪聲成因

無人機用汽油發動機結構形式主要有四種，即單缸發動機、對置雙缸發動機、對置四缸發動機、直列雙缸發動機。

1.1單缸發動機振動與噪聲來源

對于活塞式汽油發動機振源分析，曲柄連桿的運動學和動力學分析是其重要前提條件。單缸發動機的振動和噪聲出現主要是由于氣壓力與往復慣性力的影響，導致傾覆力矩發生扭振現象，再加上一階與二階往復慣性力、旋轉慣性力等多重作用。而發動機往復慣性力太大，在高頻狀況下，更加嚴重，勢必會導致嚴重失衡，進而惡化設備工況。

1.2對置雙缸發動機振動與噪聲來源

汽油發動機兩個氣缸基于空間位置相錯開的關鍵優勢是氣缸軸線之間距離允許設計為最小狀態，不必被缸體所影響，這樣極易造成發動機缸體之間的慣性力矩大大縮減，以防止失衡。因為二沖程對置雙缸發動機的兩氣缸同步點火，不存在角相位差，但是軸線之間存在180°的差異，一階與二階往復慣性力相等，方向也處于相反狀態，不存在相位差，二者在發動機運行時彼此抵消。兩氣缸旋轉慣性力也是如此。由于兩氣缸軸線無法完全重合，具有一定的軸間距，一階與二階往復慣性力與旋轉慣性力將會形成偶矩。此外，對置雙缸發動機的氣缸軸線間距偏小，偶矩量值較小。

綜上，對置雙缸發動機振動與噪聲的原因主要是，氣壓力與往復慣性力導致傾覆力矩扭振;不存在一階與二階往復慣性力和旋轉慣性力;不存在一階和二階往復慣性力偶矩;旋轉慣性力偶矩。

1.3對置四缸發動機振動與噪聲來源

二沖程對置四缸發動機也可以說是兩個雙缸發動機沿著軸線彼此串聯以此構成。其中后面的兩個氣缸點火的相位角和前面兩個氣缸間的差角是180°，曲軸旋轉大約一周的狀態，氣缸就能完成兩次性點火的任務。對置四缸發動機的全部氣缸相關力都會在發動機運行過程中彼此抵消。此外，點火相位角存在角度差，兩個氣缸的力偶矩一直都是相同或者方向相反狀態，都可彼此抵消。

綜上，對置四缸發動機振動和噪聲出現的主要原因是，氣壓力與往復慣性力造成傾覆力矩扭振現象;不存在一階與二階往復慣性力，旋轉慣性力偶矩;不存在旋轉慣性力偶矩。

1.4直列雙缸發動機振動與噪聲來源

直列雙缸發動機是對置四缸發動機結構一側。其前面與后面兩氣缸點火相位角的差異是180°，曲軸旋轉一整周，氣缸就會實現整個周期的兩次點火。兩氣缸在相同一側進行合理布局，但是點火相位角之間存在一定差距，且往復慣性力與旋轉慣性力可抵消。就二階往復慣性力來講，兩氣缸是彼此疊加的狀態。一般來說，直接雙缸發動機遠端氣缸與固定基座的距離較遠，這勢必會導致基座承載力需求量增加，很容易影響機體結構與系統結構設計。

綜上，直列雙缸發動機振動與噪聲的主要原因是，氣壓力與往復慣性力造成傾覆力矩扭振;不存在一階往復慣性力和旋轉慣性力;不存在往復慣性力;一階往復慣性力偶矩與旋轉慣性力偶矩超出對置雙缸發動機;無二階往復慣性力偶矩。

2發動機振動與噪聲的解決方法

為有效解決發動機振動與噪聲，本文進行了隔振系統設計。無人機活塞式汽油發動機在最大功率工作位置的振動中，一階的振動頻率是127Hz，已經處于高頻的激振源狀態了，其中占據比例最大是三階振動頻率，其是379Hz。通過文獻資料發現，單層的隔振裝置只能有效隔離低頻域振動，但是在高頻域振動合理中，效果并不顯著。例如，衡量隔振效果的運動響應系數與絕對傳遞系數等智能在低頻域振動隔離中利用。這主要是由于動力學微分方程模型的存在，隔振彈性元件由于其自身質量，在高頻運行時，會出現駐波反應，從而影響隔振性能。但是，隔振材料剛度和頻率之間并不存在關聯性，通常情況下，在頻率上升的時候，剛度也會不斷增加，實際頻率比也會按照相同的趨勢逐漸變小。機體結構并非絕對剛體，受高頻激振作用，難以忽略模型精確性的結構響應影響。為保證在高頻激振狀態下，發動機具有良好的隔振性能，選用雙層隔振系統進行發動機隔振設計。雙層隔振系統具體如圖1所示。

雙層隔振系統中已經把飛行器機體作為固定基座進行科學有效處理。而機體如果是運動零部件，需要進行處理，這樣一來整個系統便會轉變為三自由度模型，這樣一來，勢必會導致后續推導越來越復雜。因此，為了方便進一步計算與推導，在誤差容許范圍之內，把飛行器機體作為固定基座加以處理，雙層隔振系統則退化成二自由度模型。

從圖可知，對于雙層隔振系統而言，其中出現了兩次共振波峰，也就是阻尼條件相同時，此系統共振振幅相對較大。然而就隔振區域而言，即大于1.5時，雙層隔振系統的絕對系數衰減速度卻很快，這就在很大程度上提高了系統的高頻隔振性能。

通過隔振系統，在發動機最大功率點時，發動機一階激振源頻率為127Hz，頻率比為4.37，絕對傳遞系數為0.00552，就隔振系統而言，此預測結果與性能要求明確相符。

3結語

綜上所述，無人機飛行控制器大部分都是選用慣性導航系統控制姿態，外部激振源會逐漸導致慣性測量單元的工作環境逐漸惡化，對控制的精確性造成直接性影響。對此，應針對特定的工況及其需求，進行隔振系統科學合理設計，降低振動與噪聲成因的負面影響，進而解決發動機振動與噪聲。文章根據實際情況進行隔振系統設計，以控制振動與噪聲，系統具備良好的高頻隔振性能，值得大力推廣與應用。