发动机研发中的NVH分析
摘要：本文介绍了发动机开发中的NVH分析工作。主要内容包括：整机及零部件的模态分析，刚度优化。发动机NVH激励载荷求解，发动机整机表面振速求解，发动机结构噪声预测。汽车的ＮＶＨ性能日益受到重视，发动机是汽车最重要的振动及噪声源，在发动机的设计阶段就深入进行振动噪声性能的预测与优化，是发动机自主研发过程中非常重要的一项工作。发动机（动力总成）的NVH涉及到主要大件（缸体，缸盖）的铸造和加工和外围附件的支架处理。在设计流程前期，深度地介入开发项目和充分论证设计，是发动机NVH控制的大好时机，也充分体现CAE对工程设计的重要贡献。控制发动机振动与噪声，主要采取：改变激励力（降低激励幅值，改变频率），相应地调整结构模态（一般提高固有频率），改变传递路径等。发动机整机和零部件模态分析对了解整机和零部件模态，固有频率，刚度及后期振动噪声优化有着重要的意义，也是发动机悬置支架优化，悬置匹配的重要参考依据。发动机零部件设计完成后要进行模态分析，评价刚度刚度，共振点，薄弱区域。对于四冲程四缸机，发动机6000转时对应的2阶激励频率为200 Hz，固有频率绝不能小于200Hz。曲轴系的模态分析中，考虑曲轴，飞轮，链轮，扭矩减振器，连杆和活塞用集中质量代替。上图是两台相似六缸四冲程内燃机的缸体缸盖总成的无约束有限元模态计算结果，该发动机最高转速2300转，超速2500转。可见，两机最低模态固有频率分别已达254Hz和308Hz，机型甲的6谐次临界转速为2540转，接近发动机超速转速2500转，而机型乙的整机抗扭刚度要高，更能抵抗整机倾覆扭矩波动的影响。两机的水平一弯模态分别达到了374Hz和419Hz，其6谐次临界转速分别是3740转和4190转，在转速范围内，水平方向受到往复惯性力的影响都会较小。机型乙的垂直一弯模态高达977Hz，远高于机型甲的580Hz，该垂直一弯模态对悬置振动和油底壳噪声的影响很大，在燃气力和轴承间隙冲击以及高阶往复惯性力下，在发动机2300rpm 转速范围内，机型乙能良好避免近25 谐次内的该模态共振，而机型甲则仅能避免15 谐次内的共振。增加缸体垂向刚度的，提高垂直弯曲模态频率，可减小缸体向油底壳的振动传递，利用油底壳降噪。另外，机型甲有630~700Hz 的主轴承盖的局部模态集中频带，应改善主轴承盖的整体刚度和主轴承盖与缸体的连接刚度。完成模态分析后，如发现全局或局部的薄弱区域，需要修改设计，增加刚度。加筋是增加刚度的最简单的方法，下面介绍一下加筋的基本原则1 不要孤立地设计加强筋，可将水平的（或垂直的）加强筋连起来，形成钢架，并最后停落在高刚度处，则可以提高缸体局部和全部的刚度。2 缸体加筋应与附件螺栓孔应该有效地一起来考虑提高刚度。3 缸体外廓的钢架边缘刚度要加强，比如缸体与变速箱，油底壳的连接法兰都很宽大，一般保证足够的一阶弯曲或扭转模态的频率。4 有效利用各缸形成的波浪表面或其他空间产生的波浪表面，增强刚度，提高模态频率。5 薄壁件的加强筋尽量靠近紧固螺栓周围或连接法兰附近，罩盖中部适当安排固定螺栓来提高刚度，但不要过于靠近激励源。6 质量较大的外围附件，如电机，泵，等，其安装螺栓处的加强筋结构应该宽大，另外附件支架的刚度也应良好。通常发动机NVH分析过程为载荷分析——结构模态分析——响应分析，其中载荷计算分析主要关注幅值分析，频率分析，力的传递方向和路径分析等，它们对结构模态设计和优化有重大的指导意义，并可进一步为声学响应计算分析提供载荷激励数据。发动机工作时激励比较复杂。主要考虑了气体爆发压力，活塞连杆组件的惯性力，活塞侧击力，凸轮轴承座作用力，气门弹簧力，气门落座力等。（1）曲轴系激励计算：计算曲轴系对主轴承垂直和侧向瞬态载荷；（2）配气机构激励计算：计算气门落座力、弹簧作用力、凸轮轴对轴承的作用力；（3）缸内燃气激励计算：计算气缸内的气体压力，直接作用于缸盖（4）活塞敲击激励计算：计算活塞对缸套的作用力，即活塞侧击力主轴承座受力是发动机机体受到的最重要的激励源，是影响NVH性能的关键因素。最大主轴承力与爆压，平衡配重，轴承间隙等因素相关，是缸体和油底壳振动噪声的主要激励源，其对主轴承壁振动响应及振动传递起重要影响。图13 b15发动机1#主轴承垂向作用力 6000rpm图14 b15发动机1#主轴水平作用力 6000rpm活塞拍击力是发动机结构噪声产生的另一重要激励源，其直接影响发动机整机的噪声辐射水平。活塞拍击力对于整机噪声影响较大，可以采用曲轴偏心，活塞销偏心，优化活塞型线，更该活塞材料，调整活塞质量惯量进行改善。图15 b15发动机 6000 rpm 活塞敲击力直接作用于缸盖的机械载荷主要包括凸轮轴承座力，气门弹簧力，气门落座力。发动机的配气正时及传动系激励是具有中高频冲击分量，是整机配气正时及传动系机构附近区域的中高频噪声的重要贡献源。可以调整凸轮型线降低气门落座冲击力，调整气门弹簧预紧力和刚度特性，使用液压原件等措施，来减小阀系激励。图16 b15发动机6000 rpm 进气侧气门落座力图17 b15发动机6000 rpm 进气侧气门弹簧力进行发动机结构噪声预测，需要进行大量的研究工作。下图为发动机结构噪声预测的基本流程。（1）曲轴系激励计算：计算曲轴系对主轴承垂直和侧向瞬态载荷；（2）配气机构激励计算：计算气门落座力、弹簧作用力、凸轮轴对轴承的作用力；（3）缸内燃气激励计算：计算气缸内的气体压力，直接作用于缸盖（4）活塞敲击激励计算：计算活塞对缸套的作用力，即活塞侧击力可以采用AVL系列软件或ADAMS/ENGINE进行求解在EXCITE中进行动力学计算后，进入NASTAN中进行数据恢复，得到各结构的振动响应。发动机在1000rpm时的表面振速（25Hz），发动机在1000rpm时的表面振速（500Hz）图23 1000rpm时表面振速（25Hz） 图24 1000rpm时表面振速（500Hz）发动机结构噪声预测是一项降低发动机噪声极其经济有效的技术。在对发动机各转速下的振动噪声预测的基础上，结合试验数据，可进一步提高预测模型的精度，在此基础上进行噪声最优化设计可望开发出NVH性能优异的发动机。在SYSNOISE的网格粗化模块中，先导入结构有限元网格，然后通过提取3D网格的面单元，补面，封包等操作，生成声学边界元网格。图25为边界元网格，边界元网格仅为发动机表面网格，为面网格。建立边界元网格后，需要在SYSNOISE中将结构表面振动速度映射到边界单元节点上。图26为1000rpm时边界单元节点的振动速度（25Hz）图26 1000rpm 时表面振动速度 （25Hz）将结构表面振动速度映射到边界单元节点上后，计算了发动机以1000rpm工作时，25—1000Hz范围内的辐射噪声。图27， 图28 分别为25Hz，500Hz的辐射噪声。场点取离发动机1m的六个面。图27 25 Hz辐射噪声 图28 500Hz 辐射噪声【免责声明】本文内容来自网络，版权归原作者所有，仅用于学习！对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-14
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