发动机振动

因此, 扭矩TG是曲轴转角的周期性功能, 伴随着一个周 期性的2倍曲轴转数重复
x
Fp Fp
1 TG ( ) T0 Tm cos(m m ) 2 m 1
这个压力包括很多顺序 : ½, 1, 1½, 2, … …
7

发动机点火阶次:
在曲轴每转发生的点火数 4-冲程发动机
• • • • • 1 缸发动机: 点火阶次: ½ 阶次 2 缸发动机: 点火阶次: 1st 阶次 4 缸发动机: 点火阶次: 2nd 阶次 6 缸发动机: 点火阶次: 3rd 阶次 点火频率
发动机点火脉冲 : 气体压力
支架上的扭矩与曲轴上的扭矩相等
Fp
TG pAr sin sin cos (1 2 sin 2 ) 1 2
• { }里的形式是周期性功能,它每一转重复一次 • Fp


Fs
但是对于4冲程发动机循环来说,汽缸内压力每两转重 复一次
•
Fs Fs
• 结构缩小方法 (SAM)
• 分析结构的表面速度
25
发动机振动 CAE
多体系统 (集总质量) 模型
• 集总质量模型通常被建立在ADAMS. • 发动机集总质量模型包括 工艺轴模型和阀系模型 这些模型的目的是计算作用在发动机机体上的力, 这些力来自机械和燃烧负荷
曲柄力包括:
• 主轴承力 • 活塞侧向推力 • 汽缸顶部所受力
0.35
2 rcos cos2 x
1st 阶次 2nd 阶次
14
发动机振源
惯性不平衡力
单缸
m

x
m 2 rcos cos2 F m x
l
F1 m2 r cos
r


• 力沿着活塞轴线
F2 m 2 r cos2

l

r

13
发动机惯性阶次: 数学表达式
r l
基础运动学

x

l
d dt
x r cos l cos

r
x r cos l 1 2 sin 2

3 2 2 2 1 2 2 2 3 2 r cos (1 sin ) cos2 (1 sin ) (1 cos(4 ) x 8
Powersteering, 交流发电机, AC 材料 材料, 设计 Manicats w/阻尼器和隔热罩
动力设备 NVH传递通道
• 结构噪声. 传播途径:
– 安装和转动限制器 – 排气装置支架
• 空气动力噪声. 传播途径
– 发动机机体 – 歧管 – 表面
• 流动噪声. 传播途径
– 进气歧管喷嘴 – 排气歧管喷嘴
6
4
2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
21
Excitation Frequency Ratio (f/fo)
扭转振动
橡胶阻尼器
• 简单的扭振阻尼器 • 双模态阻尼器
• 扭振和弯曲阻尼器 • 扭转的和轴向的
22
扭转振动
液力阻尼器 液力阻尼器结构
• 惯性圈
• 聚硅酮液体 • 外壳
2 1
16
3
发动机振源
惯性不平衡运动
汽缸平面总运动
源自文库
M M i d i Fi
i 1 i 1
N
N
FN F3
• 力使汽缸平面产生运动 • 即使多缸不平衡力消除了, 运动也不会 消除
F1
F2
17
发动机振源
发动机振动分解
• 曲轴轴系振动
• • 由曲轴产生的振动是扭转振动 活塞敲击声不是发动机振动的主要来 源 , 但是 活塞敲击产生的噪声在低速 发动机上很容易就能识别
34
29
发动机振动 CAE
整个动力设备FEA
• FWD : 纵向弯曲
• FWD : 横向弯曲
30
动力装置振动 CAE
模态调整和最优化
• 发动机变速器螺栓 附加的螺栓被加在发动机油盘底部 ,变速器也增加了肋 的厚度和增加了主支撑肋
例
增加的肋替代了 下面的支 架,10mm厚
增加的bosses去 支撑肋
31
5
发动机振源
发动机点火脉冲 : 气体压力
• 只有气体力 --- 无质量 • 作用力是来自汽缸内的压力– p
• 气体力 Fp 在支架上抵消
• 只有气体压力扭矩是合成得: xFs • 作用在曲轴和支架上的扭矩大小相等方向相反.
Fp Fp Fs x Fs Fp Fp Fs Fp Fs Fs
Fp
6
发动机振源
8
参考: 发动机阶次: 发动机速度: 频率
频率 (Hz) 600 6th 阶次
例: 6-缸发动机
300 3rd 阶次 100 发动机转速 (rpm)
1st 阶次
6000
9
发动机阶次: 彩色平面图
瀑布平面图
10
发动机阶次: 彩色平面图
与发动机阶次无关的噪声由系统共振造成
11
总的扭矩和部件
1
2
3
动力装置振动 CAE
模型调整和最优化
例
在变速器箱体上增加的肋来增加纵向的弯 曲刚度
在变速器里被改变的变频器外壳厚 度导致在所有的垂面上的弯曲频率 增加了2-5 Hz, 横向的和扭转的模态.
32
附件设备的振动
一些附件装置被安装在发动机上
• 动力导向泵 • 发电机
这些装置和它们的支架可能和发动机 或者其它零件产生共振
有限元分析
来自工艺轴系的负荷/力
主轴承负荷
活塞侧向推力负荷
燃烧压力负荷
来自阀系的负荷/力
• • • • 阀门开启和关闭时的撞击 , 阀系受力由链/带运动或者齿轮传动造成 变速器里的齿轮系受力, 传动系统反馈力和运动
28
发动机振动 CAE
整个动力设备的FEA
• 在动力设备隔离分析中,刚性动力设 备用来 简化分析.事实上,挠性动力设 备模态与刚性模态不同 • 动力设备模态要满足动力设备隔离要 求 • 在 动力设备模型与传动系统连接以 后,它可以用来分析整个动力系统模 态 • 动力设备 FE 模型 通常包括 附件装 置和 支架, 它们的模态频率和模态可 以容易地获得.
阀系受力包括
• 阀座撞击力 • 阀门弹簧座受力 • 凸轮轴承受力
26
发动机振动 CAE
有限元分析
• 动力设备模态分析 动力设备隔离基准 传动系统和轴的分析 获得模态频率和 附件装置的模态
• 振动响应
用来估计发动机隔振器上的振动 /横向转动节气门 属于表面辐射分析的面速度
27
发动机振动 CAE
• 阀系振动
•
阀系振动不是发动机振动的一个主要来源 , 但是阀 系噪声在空转时很容易就能识别出来
• 附件振动 : 转向助力油泵, 散热器,起动机, …… • 发动机机体振动
发动机振动通过发动机隔振器传递到汽车车身
18
扭转振动
什么是扭转振动?
扭转振动由曲轴产生
与曲轴相连接的部件 : • 曲轴 • 连杆和活塞 • 曲轴滑轮 • 正时 带/链 传动 • 附件带传动 • 飞轮或者 半转矩变换器 • 变速器和主动轴
19
扭转振动
扭转振动导致的问题 • 曲轴共振 • 曲轴应力集中和破坏
系统的扭转振动可能影响下列辅助系统的工作
• • • • • 曲轴耐久性 皮带耐久性 和 附件 NVH 性能 正时链/带 耐久性和 NVH 齿轮系冲击噪声和耐久性 汽车车身低频轰鸣 (低频噪声 <80 Hz) 和隔室噪声
20
扭转振动
T1 J1 Jd Jp T2 J2 T3 J3 T4 J4 T5 J5 Jf
Cd
K1
K2
K3
K4
K5
K6
24
Ce Ce Ce Ce Ce
发动机振动 CAE
发动机振动 CAE分析
• 多体系统 (集总质量) 模型
• 模拟所有的滑动和转动部件的整体运动
• 计算作用力
• 有限元模型
• 分析结构模式和频率 • 分析结构的动力响应
• 流体噪声. 传播途径
– 动力导向系统 – 冷却系统 (AC, 变速器, … )
3
发动机振源
发动机噪声和振动源
机械 惯性
扭矩 不平衡力及运动 扭矩
燃烧 气体压力
x
振动部件 • 曲轴系振动
•
• •
阀系振动
附件振动 发动机机体振动
4
发动机振源
发动机点火 (燃烧) 脉冲: 气体压力
• 原因: 由于汽缸内气体压力不同
fd rpm Num berof Cylinder * 60 2
Intake
Compression 180 360
Explosion 540
Exhaust
720
发动机转速 600 rpm – 6000 rpm不等 例如: 4 缸发动机, 点火 (2nd 阶次) 频率: f = 20 Hz – 200 Hz 6 缸发动机, 点火 (3rd 阶次) 顺序: f = 30 Hz – 300 Hz
• 力与旋转质量和裂纹扩展速度的二次方成比例 • 两大阶次: 第一阶次和第二阶次
15
发动机振源
惯性不平衡力
多缸
两个附加汽缸的曲柄角
FN F3
2 N
汽缸 I 减汽缸 #1 的曲柄角是:
F1
F2
j 1 ( j 1)
例: 3缸, N=3:
3 1 2400
2 1 1200
23
扭转振动
曲轴扭转振动计算
• • • • • • • 轴的扭转刚性测定和惯性质量运动以及裂纹 throw元件 固有频率的计算, 本征值和发动机的速度临界 受迫振动计算: 所有的发动机运行条件的扭转振动振幅 曲轴零件的临界扭转应力 各种各样的阻尼器模型 (橡胶, 粘性 和弹簧), 2质量 阻尼器 阻尼器特性的最优化 阻尼器热损耗计算
发动机振动
1. 发动机的振动源 2. 发动机附属装置的振动
3. 扭转振动
4. 发动机振动的CAE分析
1
动力装置主要的结构部件
组成 基础发动机 传送 发动机硬件 FEAD 凸轮表面 前表面 排气歧管 进气歧管 油盘 发动机性能 类型 动力 / 扭矩
2
细节 I4, V6, … , 尺寸, 铭牌 铭牌, 5-6 速率
扭转振动阻尼器
1. 在系统的自然频率内的扭转激励导致曲轴系统的共振 2. 扭转振动阻尼器 降低了这些振动的振幅. 这防止了曲轴的 损坏和降低了发动机的噪声和振动
阻尼器
1. 橡胶阻尼器 2. 液压阻尼器
8
• • •
使用弹性单元去连接另一 种惯性 再增加一个度 降低了特殊频率的振幅
Response @ Inertia M
• 水泵
• 支架
例: 调查研究动力导向泵装置的NVH共振频率
增加的凸台
Additional Boss
Additional Ribs 33
增加的肋
激光振动仪 • 光学设备 – 表面速度的非接触测量 – 光学干涉测量法来测量在发射光和反射光中的频率变动 – 高的空间解答 – 被容纳的振动频率范围大 – 仍伴随着波 • 被避免的问题 – 表面的质量负荷 – 安装 – 与源临近 – 环境的不舒适性
4
5
6
7
8
9
• 总体来说, 总扭矩会在所有 ½ 阶次的曲柄产生谐波
• 这中间的许多将会在与其它汽缸结合的过程中被抵消
12
发动机振源
发动机惯性力 /运动/扭矩
• 由于发动机的往复 (活塞和连 杆) 或者旋转 (曲轴和曲柄) 质 量. • 活塞的平移运动被转化成曲轴 的旋转运动 • 汽缸数越多, 力就越平衡也更 容易平衡