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1、河北工业大学 硕士学位论文 车用柴油机结构振动分析与声功率预测研究 姓名：王娜 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：董正身 20091101 车用柴油机结构振动分析与声功率预测研究 i 车用柴油机结构振动分析与声功率预测研究车用柴油机结构振动分析与声功率预测研究 摘摘 要要 以某四缸柴油机为研究对象，采用实验方法与虚拟仿真方法研究柴油机的结构辐射噪 声，基于振动控制基础，对柴油机提出结构改进方案，以期降低柴油机的振动噪声水平。 建立柴油机的有限元模型，对柴油机曲轴与缸体进行实验模态分析和有限元模态分 析，通过结果对比，验证有限元模型的正确性。同时获得柴油机的曲轴和机体自由模态下 的各
2、阶固有频率和振型，从而为该机的振动响应分析及基于振动控制理论的结构辐射噪声 改进提供依据。 建立柴油机整机有限元模型，利用 Nastran 软件对柴油机有限元模型矩阵缩减，得到 主自由度节点，减少计算量。 通过动态仿真技术得到活塞敲缸力和主轴承载荷，将二者作为主要载荷施加在柴油机 上；在 AVL-EXCITE 软件平台上，结合有限元方法和多体动力学基础，建立了柴油机的整 机振动仿真模型，进行仿真计算；得到各节点的振动速度，结合各部件的表面辐射面积、 声辐射比，得到部件的声功率级，进而得到整机的表面辐射声功率。 综合有限元计算结果和仿真结果，对柴油机结构提出改进方案，增加机体裙部和主轴 承座处的
3、加强筋，降低机体表面辐射噪声声功率 2.92dB。 关键词： 关键词：柴油机，振动噪声，多体动力学，有限元，模态分析 车用柴油机结构振动分析与声功率预测研究 ii THE STRUCTURE VIBRATION ANALYSIS OF AUTOMOTIVE DIESEL ENGINE AND SOUND POWER PREDICTION RESEARCH ABSTRACT Taking a four-cylinder diesel engine as the example, the experimental method and the virtual simulation method w
4、as used to study the structure vibration and noise of diesel engine. The structure improvement of diesel engine was given to guide the structure design of diesel engine based on vibration control and reduce the vibration and noise level. The finite element model of diesel engine was established and
5、the diesel engine was analyzed by experimental modal analysis method and the finite element modal analysis method. The result of experimental modal and the finite element modal was contrasted and that validate the rationality of the finite element modal. The frequencies and strikeout of diesel engin
6、e in free mode was given. The finite element software (MSC.Patran/Nastran) was used to condense matrix. The main node of degree of freedom was given and that reduces computation of computer. Through the dynamic simulation technology the main bearing force and the cylinder piston percussive force whi
7、ch is the main load of diesel engine was given. In the platform of AVL-excite, the engine simulation model was established through the finite element method and the multi-body dynamics. The vibration speed and sound power of every node was given. With surface radiation area of every component and ac
8、oustic radiation ratio, the sound power amplitude and the surface radiated acoustic power of the diesel engine in the next was calculated. On the basis of finite element result and test result, the improvement of engine structure is put forward and the vibration and noise of diesel engine was decrea
9、sed. KEY WORDS: diesel engine, vibration and noise, multi-body dynamics, finite element, modal analysis 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内 容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权
10、使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部 分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 1-1 课题研究的意义课题研究的意义 随着汽车向高速化和轻量化方向发展， 振动噪声问题日益突出， 人们对振动和
11、噪声的要求越来越严 格，汽车行驶的平顺性、发动机的减振和隔振也越来越受到重视。强烈的汽车振动不仅使乘客感到不舒 适，还对车辆产生重要影响，主要有以下几方面 1： 恶化设备的性能，降低其可靠性与使用寿命。振动会增加结构部件，特别是连接件的应力，引起 疲劳损坏；损坏设备的精度和性能，最终导致可靠性和工作寿命的降低。 增加额外的功率损耗，浪费能源。 对环境造成污染，破坏其它设备仪表的正常工作；恶化工作条件，降低工作效率。 汽车振动将损失舒适性；振动诱发的噪声也会破坏乘客的安静环境。 与汽油机比较， 柴油机由于其工作方式的不同， 柴油机的急速燃烧所产生的压力巨变造成了很大的 激励力， 而柴油机的激励力
12、大部分都是通过机体传递给其它附件及覆盖件的， 所以机体振动将直接影响 柴油机的振动和噪声，同时也会影响柴油机的其它性能和使用可靠性。当今世界发动机的 NVH 性能已 成为标志发动机内在产品质量的指标。 随着对环境要求的不断提高， 发动机的振动和噪声问题越来越引 起人们的重视。 由柴油机工作特性决定的较大振动不仅对机器本身带来损害， 还会引起车辆的振动和强 烈的噪声辐射，从而影响人体的健康和造成环境的污染。尽管 70 年代以来，柴油机技术取得了突飞猛 进的发展，但车用柴油机在噪声、制造成本等方面仍然与汽油机存在很大差距。现代车用柴油机面临的 主要矛盾是：在激烈的市场竞争及能源日趋紧张的背景下，尽
13、可能提高燃油经济性，提高可靠性和使用 寿命的同时，还要满足日益严格的排放和噪声法规。因此，开展低噪声柴油机的研究，对提高我国柴油 机产品在国际上的竞争力具有重要意义。 1-2 内燃机振动控制国内外研究概况内燃机振动控制国内外研究概况 内燃机的振动控制研究是从曲轴扭振问题开始的。1904 年 Lanchester 研制的一台六缸车用发动机 出现了比较严重的扭振， 当时采用了一种新的弹性摩擦离合器后振动便缓解了， 由此产生了内燃机振动 控制的第一项发明 Lanchester 摩擦式扭振减振器。1928 年 Lanchester 在 FrahmHorm 动力减振器的基础 上，又发明了扭振动力减振器
14、9。 尽管在内燃机诞生初期， 设计师就已从机构动力学的角度出发设计了消减运动惯性力的平衡块， 但 真正以振动理论来研究整机振动是三十年代从内燃机柔性支撑问题开始的， 也就是现在所讲的隔振。 内 燃机隔振概念的推广来自五十年代 Crede 和 Winson 等人提出的隔振理论 11。 近一个世纪以来，内燃机设计研究者对于整机振动从研究刚性隔振到双质量吸振、隔振系统，发展 到研究弹性体振型，方法从线性系统到非线性系统，模型从单自由度到多自由度以及有限元模型，振动 控制的方法有吸振、阻振、隔振和结构动态特性的优化修改。 传统的被动控制方法由于不需要外界能源，装置结构简单，易于实现，经济性与可靠性好，
15、在许多 车用柴油机结构振动分析与声功率预测研究 2 场合下可以得到满意的减振效果。但有一个共同缺点，就是没有考虑内燃机工况的复杂性、振动的非线 性，而且有效频率范围窄，减振器要求的附加振动质量大。为了满足人们日益增长的振动控制要求，内 燃机振动控制的研究者开始把目光投向振动的有源控制，即振动主动控制。1955 年美国科学家最先提 出了有关振动有源控制技术的研究报告， 之后 Abu-Akeel 和 Schubert 分别在 1967 年和 1969 年先后发表 了电动吸振器和电动隔振系统的研究论文，Bender 在 1968 年提出了车辆悬挂隔振控制的设想 23。 控制减振技术经过最近二十多年的
16、研究和发展， 已由最初的理论研究和实验室验证逐步走向实际应 用领域。目前已发表的主动减振应用实例有宇宙飞船、卫星、飞机、精密机床及高精度隔振平台等等。 就内燃机振动而言，整机振动、动力隔离和轴系扭转振动的控制，国内外都在研究。1998 年 Nissan 开 发了应用于柴油机上的主动振动控制设备；Snyder，S.D 将人工神经网络应用到主动控制系统中，得出 了一种主动控制的新手段；Cheolhyun Hwang 和 Byunghyuk Lee 对直喷柴油机进行 TPA(Transfer Path Analysis)分析，改进悬置系统的固有特性和对传递函数的敏感性，从而对直喷柴油机的怠速振动状况有 了较好的改进。从国内来看，张保成、尹力森等通过对惯性力系和振动激励力特
