内燃机振动噪声

3. 频率范围或幅频特性— 指灵敏度在规定百分 数以内变化时的频率范围。
S
工作区域
0
f1
f2
f
4. 相位差或相频特性： 相位差指传感器的输出信号与输入信号在相同 频率处对应的谐波分量之间的相位角之差。
输入信号：x=A sin ωt 输出信号：y=A sin(ωt+α) 相频特性指相位差随频率变化的关系。
机械式 光学式 电气式
位移传感器 速度传感器 加速度传感器 频率计
频谱分析仪
扭振仪
相位仪
辅助仪器
记录设备
激振设备
数据分析和 处理设备
二、振动测量仪器主要性能指标
1. 灵敏度— 仪器输出量与被测振动量的比值，
横向灵敏度不得超过2%~10%。
2. 动态范围 — 指测振仪维持输入量与输出量成 线性关系时，输入量幅值的容许变化范围， 以分贝数表示。
第二章 重点发展的内燃机关键 研究开发技术
• 内燃机现代设计技术； • 车用柴油机废气净化技术； • 车用发动机增压技术； • 气体燃料内燃机技术； • 车用内燃机电控技术； • 柴油机共轨式喷油技术； • 多气门和顶置凸轮技术； • 内燃机噪声控制技术； • 气缸内和多点汽油喷射技术。
内燃机现代设计技术 1、国内外发展趋势
利用：1. 振动筛、振动捣固、振动加工。 2. 利用振动信号进行监测与诊断。
二、内燃机振动控制的途径
1. 削弱激振源
改善平衡性能 — 增加缸数、合理布置平衡重、采用平衡轴 减少活塞横向撞击 — 减小活塞间隙、控制变形、采用合理形状 改善配气凸轮动力性能 — 函数凸轮、动力凸轮、减小M，提高C 提高加工、装配精度 。（去掉凸轮轴，是根本性措施） 降低气缸压力升高率 — 采用预喷射系统、高压共轨、双弹簧喷嘴
M2
L
2 2
M2
L
2 2

R
2


L2

等效电感 L’ 是M的函数，M是测试距离 d 的函数，因 此L’ 的变化直接反映传感器与被测物体之间的距离 d 的变化，即 d 增加，L’ 增大；d 减小，L’ 减小。
2. 磁电式传感器
用于速度测量 • 有低频共振频率，下限频率受
限 • 由于内部支撑弹簧的局部谐振，
第一章 内燃机振动基本概念
• 内燃机是船舶、汽车、拖拉机、工程机械、坦克、发电 机组等领域中的原动力，用途十分广泛。
• 振动、噪声问题是内燃机对环境的重要影响因素之一。 • 振动、噪声的控制是与排放控制并重的技术攻关目标。 • 内燃机具有冲击强烈、多振源和宽频带激振作用。 • 振动的形态复杂。 • 按照研究重点的不同，内燃机的振动可划分为四种类型。
5. 质量 — 传感器的质量附加到被测物体上，会 影响对象的原始振动状况。因此要求传感器尽 量小而轻。
6. 环境条件— 主要指温度、湿度、磁场、噪声、 射线强度等非振动环境对仪器性能（主要指灵 活度）的影响。
三、振动传感器
1. 电涡流传感器
a. 多用于在线监测和设备 诊断
b. 线性工作范围大 （DC~10kHz)、灵敏度高
NASTRAN, ABAQUS
HD Truck Engine Optimization Equivalence Ratio
1020
K
2701
Equiv. Ratio - Reference
Normalized Pressure [-]
NorNmoarmliazliezedd PPrreesssusreure
安装在机体上的 油底壳 齿轮室罩 薄壳部件 气门室罩
表面振动
飞轮壳
机体、齿轮室
进排气管
悬挂部件
水泵 发电机等
油泵
也受到结构激振，当激振频率与这些部件
频率相吻合时，将产生剧烈的颤动（局
部振动）。影响内燃机噪声水平和部件 的工作可靠性。
三、轴系扭转振动
曲轴系统扭转振动模型
四、部件振动
1、配气机构的振动 凸轮轴、推杆、摇臂、气门、弹簧 与凸轮型线、机构刚度、凸轮转速有关
第一节 内燃机振动的类型
一、整机振动
把内燃机看作绝对刚体，
将内燃机及其支承简化为单 质量多弹性支承系统，在激 振力作用下，作六个自由度 （x,y,z,α,β,γ)的刚体运动 （整体振动）。
其激振力为周期性变化
的惯性力、惯性力矩、翻到 力矩。
整机振动示意图
整机振动强度是内燃机
总体振动品质的反映，包含 了内燃机设计水平、制造水 平、本身状况及变化等信息。
CFD Solutions Powertrain - Cooling System
– Engine Cooling
• Pressure Losses • Massflow Gasket • Uniformity • Heat Transfer
– HTC (convective, boiling) – Automatic Coupling to
高频也受到限制 • 20~200Hz范围内效果较好 • 输出阻抗低、输出灵敏度高 • 感应电动势为：
e=BL0 n v×10-3(V)
B— 空气隙中磁通密度（T） L0— 每匝线圈的长度（cm） n — 处于空气隙中的匝数，
有效匝数。 v — 沿轴线方向线圈与磁铁
的相对运动速度。
3. 压电式加速度传感器 采用压电晶体的压电效应来实现信号转换
4. 控制振动的传递率 — 隔振
• 完全消除内燃机的振动式不可能的。 • 可将内燃机安装在高弹性的隔振器上，以
隔离或减少内燃机作用力向周围的传播。 • 增加某些结构的附加刚度或阻尼。
常用的支承系统形式
弹性隔振元件受力状况
橡胶中用邵氏硬 度表示弹性模 量
中等硬度橡胶
Hs=30~70Hs 切变弹性模量
3. 减少振动响应
在无法避免共振的情况下 • 增加系统阻尼：消耗振动能量，例如增设阻尼减振
器，采用内阻较大的铸铁材料，在薄壳表面衬上高 阻尼材料（宽频控制）。 • 采用动力吸振器：在主系统上装设质量-弹簧子系统， 选取子系统的参数式的其固有频率与激振频率相同， 将激振能量转移到动力吸振器上（窄频控制)。
振动加速度级
Ld

20 lg
a a0
(dB )
a0=10-6mm/s2
二、振动烈度及其评价
振动烈度：一般用测点上三个方向速度均 方根值平均值的向量和表示。
Vs

Vx Nx

2

Fra Baidu bibliotek

Vy Ny

2


Vz Nz
2
A—良好工作状态 C—容忍工作状态
第二节 振动的度量参数和评价
一、物理度量参数
1 位移—适用于低频范围
2 速度—适用于中频范围和噪声计算评价
3 加速度—适用于高频范围
常用对数单位分贝（dB）描述振动的大小，称为振动级
振动位移级
Ld

20 lg
d d0
(dB)
d0=10-9mm
振动速度级
Ld

v 20lg
v0
(dB)
V0=10-6mm/s
3. 2000Hz以上的高频段
取决于燃烧压力升高加速度的最大值 （d2p/dt2)
2. 避免共振
通常通过改变内燃机设计来调整系统固有 频率，避免共振。
• 改变飞轮结构调整轴系转动惯量 • 改变隔振橡胶元件硬度以改变刚度 • 改变机体结构以提高固有频率 • 改变配气机构刚度提高固有频率 • 改变风扇结构避开共振转速
研究目的：
1、了解整机振动规律和振动强度 2、考察弹性支承或隔振器的性能 3、研究内燃机对环境的影响 4、研究环境对内燃机振动的影响
二、结构振动
活塞、连杆、曲轴为内 部传力结构
缸盖、机体、曲轴箱构 成外部承载结构，是一个 封闭的弹性体。
在气压力、活塞换向撞 击的激励下，各零部件按 各自的固有频率振动，导 致外部结构表面的高频振 动，诱发800~3000Hz的噪 声。
k f
6nc
k值定义为，正加速段宽度与机构一个自振周期所占凸轮转角之 比。一般要求 k>1.3。
2、缸套振动 在活塞敲击下产生，引起缸套变形、振动和
缸套穴蚀。 3、进、排气管振动
由气流振荡引起，影响工作性能和噪声。 4、燃料系统振动（油管本身由于内部压力变化） 5、增压器振动，气流高速流动和冲击造成。
内燃机现代设计技术大致包括9个方面： （1）计算机辅助设计（CAD）
— 二维、三维图形和图像处理功能 — 实体造型，是其他分析手段的先期工 作和基础 — 与其他手段具有关联性
（2）快速成型技术 —激光快速成型技术 — 选择性激光烧结法 — 层压物制造法 — 熔化沉积制造法 — 喷粒制造法 — 实心基底固化法 — 光固化法
可缩短制作零件时间50％，节省制作零件 费用30％左右。
（3）有限元（包括边界元）分析 — 零件和结构的强度、刚度分析 — 零部件热负荷、热应力分析 — 结构模态分析 — 结构振动响应分析 — 振动噪声的声场分析 — 流场分析 — 冲压成形分析
Optimization Design of Rocker Arm
• 也称为有源控制， 它根据被控系统 的动态特性，采 取由外部输入能 量的控制方法使 被控系统实现减 振。
• 有高度的适应性， 能在任何范围抑 制系统的位移、 速度和加速度。
• 动力隔离的 主动控制
• 质量 M向上 位移x时中 间板随同活 塞产生一个 向下位移
u= - x，反 之亦然。
理论上中间板 保持不动。
B—正常工作状态 D—不容许工作状态
上下振动人体模型
三、振动的主观评价 和标准
1、人体各部分有不同的振动频率
2、人对振动的感觉与振幅、频率、 振动方向、持续时间有关。
3、振动感觉阈为60dB(加速度级）， 85dB 感到不愉快
105dB 不能忍受
4、对水平振动比垂直振动更敏感
5、最敏感范围：
垂直 — 4 ~ 8 Hz
c. 结构简单、非接触测量
d. 主要用于位移测量
R' L'
R1 L1

2M 2 R22 (L2 ) 2
2M 2 R22 (L2 ) 2
R2 L2

M为L1、L2的互感，L’、R’为等效 电感及等效电阻
当ωL2 »R2时，
R ' L '
R1 L1
（5）发动机循环模拟
— 活塞、气门运动 — 气体流动分析 — 燃烧分析 — 可以进行动态仿真
（6）计算流体动力学（CFD） — 缸内及进、排气的流动 — 两相和多相流动 — 柴油机喷油泵、喷油器中的流动 — 冷却风扇的气体流动 — 冷却水套中的流动及温度分布 — 汽油喷射过程 — 柴油喷雾特性 …… — 主要是采用有限差分法、有限元法和 有限容积法
水平 — 2 ~ 6 Hz
6、平顺性较好的范围（推荐）， d — 振动最大位移
d×f 3=5
f=1~6 Hz （低频）
d×f 2=0.85 f=6~20 Hz (中频）
d×f=0.045 f=20~60 Hz （高频）
第三节 内燃机振动测试系统
一、振动测量仪器的分类及系统组成
测振仪器
基本仪器
绝对式 相对式
（减少着火延迟期内喷入的燃油量）
1. 300Hz以下的低频段
是若干个工作循环气体压力均值光华曲线的 频率特性，反映工作过程的周期性变化，反 映内燃机机械负荷的大小。
2. 300~2000Hz的中频段
压力级随频率的增加成线性衰减。压力升高 率越大，中频段上的成分越丰富，即中频段 上的能量越大。该段是内燃机振动的最大响 应区，也是人耳感觉最强烈的噪声频率范围。
G 0 . 022
H
3 s

压缩弹性模量
E≈3G
制造时橡胶硬度 变化范围为
±（3~5）Hs
橡胶的应变比应力有很大的滞后性，因此动刚度比静刚度大。 缓慢加载得到的刚度为静刚度，用交变载荷得到的为动刚度。
动刚度与静刚度的比值称作动态系数
常见的两室式液 压悬置结构
也是一种被动 式悬置
5 . 振动的主动控制
（4）可靠性分析
概率统计可靠性分析是一种使设计 达到高度优化的技术。当采用传统设计 方法设计一个零件时，最大许用应力是 零件在其寿命期内，在最大负荷状况下 所容许出现的应力。通常是加大安全系 数，保证安全裕度。可靠性设计分析是 在概率的含义下定义，更符合零件实际 情况。概率统计可靠性分析能将这些不 定因素定量化，然后通过故障模型预测 在零件寿命期内的某一时间发生故障的 概率。
a 为轴向压缩结构
b 为隔离剪切结构
C 为环型剪切结构
d 三角形剪切结构
第四节 振动控制的一般方法
一、振动的危害及利用
危害：1. 恶化机器设备性能，降低可靠性与使用寿命。 2. 增加额外的功率消耗，浪费能源。 3. 对环境造成振动噪声污染，破坏其它设备、仪表 的正常工作；降低控制、监测系统的精度； 4. 损害车辆或船舶的舒适性，军用目的的隐蔽性。