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多工況下發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲研究

2022-02-09 12:32:21·  來源：汽車NVH云講堂  
　
摘要: 針對某公司生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)在780 r /min 轉(zhuǎn)速下振動(dòng)噪聲過大的問題，對內(nèi)燃機(jī)做振動(dòng)噪聲試驗(yàn)并得出振動(dòng)噪聲過大的原因，得到該內(nèi)燃機(jī)噪聲與振動(dòng)的分布規(guī)律，
摘要: 針對某公司生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)在780 r /min 轉(zhuǎn)速下振動(dòng)噪聲過大的問題，對內(nèi)燃機(jī)做振動(dòng)噪聲試驗(yàn)并得出振動(dòng)噪聲過大的原因，得到該內(nèi)燃機(jī)噪聲與振動(dòng)的分布規(guī)律，為后續(xù)內(nèi)燃機(jī)的懸置設(shè)計(jì)提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。測試內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速分別為780、820、2 200 r /min 且負(fù)載不同工況下的振動(dòng)信號(hào)，和內(nèi)燃機(jī)在750 ～ 3 390 r /min 加速工況下的瞬態(tài)噪聲信號(hào)。對所測穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算振動(dòng)烈度，得出該內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載對噪聲的影響，并對瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行階次分析，得到各階次信號(hào)隨轉(zhuǎn)速的變化和主要的貢獻(xiàn)階次。最后根據(jù)以上對內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)噪聲的分析結(jié)果對內(nèi)燃機(jī)懸置系統(tǒng)的模態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)果表明: 穩(wěn)態(tài)工況下，隨著轉(zhuǎn)速的提升基頻也隨之增加，Z 軸的振動(dòng)烈度比同轉(zhuǎn)速的X、Y 軸大; 內(nèi)燃機(jī)在780r /min的振動(dòng)烈度大于在820 r /min 的振動(dòng)烈度，說明內(nèi)燃機(jī)在780 r /min 時(shí)產(chǎn)生了共振; 噪聲主要由1 階、2 階、4 階、6 階、8階機(jī)械噪聲合成，機(jī)械噪聲是由軸承或靜偏心導(dǎo)致的機(jī)械噪聲階次及其諧波階次，為內(nèi)燃機(jī)的懸置模態(tài)設(shè)計(jì)提供了參考。
關(guān)鍵詞: 內(nèi)燃機(jī); 振動(dòng)噪聲信號(hào); 頻譜分析; 振動(dòng)烈度; 階次分析
0 前言
內(nèi)燃機(jī)由于動(dòng)力強(qiáng)、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于船舶、汽車和其他設(shè)備上。但內(nèi)燃機(jī)質(zhì)量大，振動(dòng)噪聲高，長時(shí)間運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和壓力過高，氣缸內(nèi)易積攢煙灰和積碳。由于內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中，活塞撞擊和零配件的間隙過大等都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)缸蓋和機(jī)體振動(dòng)［1］。內(nèi)燃機(jī)表面的振動(dòng)信號(hào)反映了內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的工作狀態(tài)，對振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行測試和分析可以得出內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部運(yùn)行狀況和振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因［2－4］。
21 世紀(jì)以來，國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)噪聲與振動(dòng)控制發(fā)展迅速。文獻(xiàn)［5］中對內(nèi)燃機(jī)噪聲源識(shí)別技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制、內(nèi)燃機(jī)噪聲聲強(qiáng)測試法等做了大量的研究。文獻(xiàn)［6］中對內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)、表面輻射噪聲進(jìn)行了深入分析，并研究了內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與輻射噪聲間的關(guān)系。
本文作者對主流噪聲振動(dòng)測試設(shè)備采集的振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并對分析所得的振動(dòng)頻譜圖、ColorMap 圖、階次分析圖進(jìn)行分析，得出振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的原因。
1 振動(dòng)信號(hào)采集
內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)的激勵(lì)信號(hào)頻譜范圍較廣。為了研究振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，采用測試頻譜范圍較廣的加速度傳感器和聲學(xué)傳感器。振動(dòng)信號(hào)測量過程中，所測量的信號(hào)需要經(jīng)過傳感器、放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
1. 1 測試設(shè)備與試驗(yàn)對象
( 1) 測試設(shè)備
現(xiàn)主流測試設(shè)備主要由德國海德、德國西門子、美國PCB、丹麥BK 等公司生產(chǎn)提供。此次試驗(yàn)采用的是德國西門子公司生產(chǎn)的LMS SCADAS MobileSCM05 多通道噪聲振動(dòng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)由LMSSCADAS Mobile SCM05 數(shù)據(jù)采集前端、SimcenterTestlab 18 測試分析軟件、Simcenter Testlab 18 模擬合成軟件及相應(yīng)的聲學(xué)和振動(dòng)傳感器組成。該系統(tǒng)與其他同類產(chǎn)品相比，所測量的振動(dòng)和噪聲信號(hào)精確度更高，故測量數(shù)據(jù)精確可靠。所使用的聲學(xué)傳感器的靈敏度為50 mV/Pa。LMS SCADAS Mobile SCM05 數(shù)據(jù)采集前端可以記錄包括數(shù)字以及音頻數(shù)據(jù)、振動(dòng)信號(hào)和加速度信號(hào)在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)。所采集的聲音和振動(dòng)信號(hào)由相應(yīng)的多通道分析系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。
一般而言，加速度傳感器和聲學(xué)傳感器布置在能夠充分反映被測對象信息的地方，測點(diǎn)不應(yīng)布置在阻尼部件上，應(yīng)該盡可能與直接傳遞路徑相重合; 測點(diǎn)位置應(yīng)易于傳感器的安裝與測試; 三向加速度傳感器的方向應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力的方向一致。X 向是沿著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的方向; Y 向是平行于地面的平面上，垂直于X 軸的方向; Z 向是垂直于地面的方向。
圖1 所示為建立的臺(tái)架示意，采用4189 型1. 27cm ( 1 /2 英寸) 自由場傳聲器和356A32 型三軸加速度傳感器測試噪聲和振動(dòng)信號(hào)。
( 2) 試驗(yàn)對象
被測試內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。
1. 2 試驗(yàn)測試工況與測點(diǎn)布置方法
( 1) 試驗(yàn)測試工況
此實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣將通過排氣管引出室外。由于此內(nèi)燃機(jī)采用的是水冷方式且沒有安裝空氣濾清器，所以在測量噪聲時(shí)將不考慮排氣噪聲，只采集了內(nèi)燃機(jī)表面的噪聲。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其油溫和水溫將上升為常規(guī)的工作溫度，用試驗(yàn)臺(tái)架將內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)置好的工況下進(jìn)行測試。將采樣頻率設(shè)置為24 000 Hz。為
確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每天測試一組數(shù)據(jù)，一共測試3d，每次測試時(shí)間為10 s，測試試驗(yàn)溫度和濕度分別為20 ℃和55%。
測試工況如表2 所示。可知對內(nèi)燃機(jī)在轉(zhuǎn)速780r /min、扭矩10/45 N·m，轉(zhuǎn)速820 r /min、扭矩10/50N·m，轉(zhuǎn)速2 200 r /min、扭矩150/250/360 N·m三個(gè)穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行測量，并測量內(nèi)燃機(jī)在轉(zhuǎn)速780～3 390r /min 的加速過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
( 2) 測點(diǎn)布置方法
內(nèi)燃機(jī)噪聲測試參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1859—2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程及簡易法》，按照規(guī)定采用九點(diǎn)布置法。噪聲測點(diǎn)布置如圖2 所示，可見噪聲測試的表面為一個(gè)矩形六面體，第一張圖為矩形六面體的前視圖，第二張為俯視圖，圓圈代表聲學(xué)傳感器，測試表面與內(nèi)燃機(jī)各側(cè)面平行且距離內(nèi)燃機(jī)1 m。加速度傳感器的布置位置根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)選在機(jī)體上或振動(dòng)較大的結(jié)構(gòu)點(diǎn)上。結(jié)合文中分析的內(nèi)容，將加速度傳感器布置在柴油機(jī)上部靠近進(jìn)氣口位置、柴油機(jī)外殼上部中心位置、柴油機(jī)腳支撐位置。
2 振動(dòng)信號(hào)處理及分析
2. 1 穩(wěn)態(tài)工況下振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)分析
頻譜分析是穩(wěn)態(tài)工況信號(hào)處理最重要和最常用的一種方法，對測試的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，分析得信號(hào)的線性自功率譜［7］。為了讓人們直觀地分析信號(hào)的頻譜特性，頻譜圖反映了信號(hào)的頻率和幅值之間的關(guān)系，從而診斷信號(hào)的問題頻率［8］。
2. 1. 1 轉(zhuǎn)速對振動(dòng)的影響
由測點(diǎn)布置可知在柴油機(jī)進(jìn)氣口周圍布置了一個(gè)三向加速度傳感器，測出的加速度信號(hào)代表了進(jìn)氣口的振動(dòng)，其在轉(zhuǎn)速780 r /min、扭矩10 N·m，轉(zhuǎn)速820 r /min、扭矩10 N·m 和轉(zhuǎn)速2 200 r /min、扭矩150 N·m 穩(wěn)態(tài)工況下X、Y、Z 向振動(dòng)頻譜如表3所示。振動(dòng)烈度表示振動(dòng)強(qiáng)烈程度，國際標(biāo)準(zhǔn)組織( ISO) 常用加速度的均方根值來表示，因?yàn)槠浒祟l率的信息，從而反映了振動(dòng)信號(hào)的能量。表3中的ＲMS 值代表了780、820、2 200 r /min 的振動(dòng)烈度。
眾所周知，當(dāng)扭矩一定時(shí)，氣缸吸入氣體的速度隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，從而進(jìn)氣管附近的振動(dòng)強(qiáng)度和頻率也會(huì)加強(qiáng)。但是由表3 可知，780 r /min 的振動(dòng)烈度大于820 r /min，可見發(fā)動(dòng)機(jī)在780 r /min 轉(zhuǎn)速時(shí)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零件產(chǎn)生了共振，從而導(dǎo)致了振動(dòng)烈度的增加。反映了很多汽車在啟動(dòng)時(shí)的抖動(dòng)明顯大于行駛時(shí)。由于內(nèi)燃機(jī)零部件精度不夠，個(gè)別氣缸氣體的作用力較其余缸體增大或減小，使得各缸的進(jìn)氣量不同，導(dǎo)致各缸運(yùn)動(dòng)功率不平衡，這些都會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)受力矩的大小不同，從而產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象［9］。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到2 200 r /min 時(shí)，進(jìn)氣口振動(dòng)烈度大幅增加，可見上述論證正確。
由表3 可知，隨著轉(zhuǎn)速的提升，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻也在隨之增加，共振發(fā)生所在的頻率也隨之增大。
2. 1. 2 負(fù)載對振動(dòng)的影響
由測點(diǎn)布置可知在柴油機(jī)進(jìn)氣口周圍布置了一個(gè)三向加速度傳感器，測出的加速度信號(hào)代表了進(jìn)氣口的振動(dòng)，它在轉(zhuǎn)速為2 200 r /min，負(fù)載為150、250、360 N·m 穩(wěn)態(tài)工況下X、Y、Z 向振動(dòng)頻譜圖和振動(dòng)烈度如表4 所示。
當(dāng)轉(zhuǎn)速一定、負(fù)載增加時(shí)，加速度振動(dòng)烈度在增加。
綜合上述同一測點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)速和負(fù)載對進(jìn)氣口振動(dòng)的影響。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，各部件的慣性力增大，從而使內(nèi)燃機(jī)相對運(yùn)動(dòng)的零部件間撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)增強(qiáng)，則測量的振動(dòng)加速度信號(hào)幅值應(yīng)該隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加，但數(shù)據(jù)顯示同一扭矩下780r /min 的振動(dòng)烈度反而大于820 r /min，說明內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零部件在780 r /min 時(shí)存在共振。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速相同負(fù)載增大時(shí)，每循環(huán)供油量增加，燃燒的最高壓力提高，作用于活塞等運(yùn)動(dòng)件的力相應(yīng)增加，機(jī)械振動(dòng)必然隨著負(fù)載的增加而增加，所以振動(dòng)烈度也隨之增加。
2. 2 瞬態(tài)工況下振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)分析
由頻譜分析可得測試信號(hào)的頻域特性，但無法區(qū)分瞬態(tài)工況下階次不同的噪聲源可能是同一頻率的情況。因此，對于非穩(wěn)態(tài)工況而言，需要對測試信號(hào)做瀑布圖分析，常采用跟蹤轉(zhuǎn)速的方式，并畫出Color-Map 圖［10］。
分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)噪聲，階次分析是其中重要的內(nèi)容，這就離不開ColorMap 圖分析。ColorMap 圖的橫軸表示頻率，縱軸表示轉(zhuǎn)速，故ColorMap 圖可以反映信號(hào)隨轉(zhuǎn)速、頻率變化的規(guī)律，用顏色深淺表示測試信號(hào)的幅值大小，紅色代表信號(hào)幅值的最大值，藍(lán)色代表信號(hào)幅值的最小值。
圖3 為機(jī)械負(fù)載下，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速由750 r /min 勻加速到3 390 r /min 時(shí)測得的噪聲信號(hào)ColorMap 圖，表明1 階、2 階、4 階、6 階、8 階噪聲為內(nèi)燃機(jī)噪聲的主要成分。圖4 反映了各個(gè)階次不同轉(zhuǎn)速下的噪聲對整體噪聲水平貢獻(xiàn)的大小，圖中曲線1 代表了整體的噪聲水平。在750 ～ 3 390 r /min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，8 階噪聲占主導(dǎo)地位; 6 階、4 階、2 階、1 階噪聲依次減小?？傮w而言，1 階、2 階、4 階、6 階、8 階噪聲對內(nèi)燃機(jī)噪聲水平貢獻(xiàn)最大［11］。


3 懸置系統(tǒng)優(yōu)化約束設(shè)計(jì)
在已設(shè)計(jì)完成懸置基礎(chǔ)上，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，讓傳到車內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)最小。通常，會(huì)通過優(yōu)化系統(tǒng)約束條件來達(dá)到隔振的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)在780 r /min 時(shí)產(chǎn)生了共振，故在設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)模態(tài)目標(biāo)時(shí)考慮了轉(zhuǎn)頻13 Hz，避免產(chǎn)生共振。懸置系統(tǒng)固有模態(tài)目標(biāo)如表5 所示。
4 結(jié)論
( 1) 穩(wěn)態(tài)工況下，隨著轉(zhuǎn)速的提升基頻也隨之增加，Y 軸的振動(dòng)烈度比同轉(zhuǎn)速的X、Z 軸大，且內(nèi)燃機(jī)主要峰值振動(dòng)頻率為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
( 2) 測量的振動(dòng)加速度信號(hào)應(yīng)該隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加，但表3 顯示同一扭矩下780 r /min 的振動(dòng)烈度反而大于820 r /min，說明內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零部件在780 r /min 時(shí)存在共振，對內(nèi)燃機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，并給出了懸置系統(tǒng)模態(tài)的優(yōu)化目標(biāo)。
( 3) 由圖4 可得出噪聲主要由1 階、2 階、4 階、6 階、8 階機(jī)械噪聲合成，可對其相應(yīng)的噪聲產(chǎn)生原因進(jìn)行優(yōu)化。
作者：陳加國
作者單位：( 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇南京210023)
來源：機(jī)床與液壓
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