發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲和活塞拍擊噪聲的產(chǎn)生機(jī)理試驗(yàn)研究?

景國(guó)璽,郝志勇,金陽(yáng),鄭 旭

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)系,浙江 杭州 310027)

引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最主要的振動(dòng)源和噪聲源之一[1],要改善汽車的振動(dòng)噪聲特性,應(yīng)先從發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理研究著手。根據(jù)激振力和傳播途徑的不同,一般將發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分為三種類型:燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲?？諝鈩?dòng)力學(xué)噪聲主要通過在進(jìn)氣和排氣過程產(chǎn)生,直接向大氣輻射,而燃燒噪聲和機(jī)械噪聲是通過內(nèi)燃機(jī)的外表面向外輻射。國(guó)內(nèi)外關(guān)于燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的研究[2～9],主要基于發(fā)動(dòng)機(jī)表面的振動(dòng)響應(yīng)利用時(shí)頻分析等先進(jìn)信號(hào)處理方法,再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性,進(jìn)行燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的分離和研究工作,但是由于結(jié)構(gòu)表面響應(yīng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)眾多激勵(lì)影響,同時(shí)與響應(yīng)位置處結(jié)構(gòu)局部剛度密切相關(guān)。因此結(jié)構(gòu)輻射噪聲研究工作首先需從燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和傳遞途徑開始。本文將結(jié)合試驗(yàn)工作對(duì)燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲的產(chǎn)生機(jī)理開展相關(guān)研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)輻射噪聲產(chǎn)生機(jī)理

內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零件眾多,多數(shù)零件又是用螺栓剛性地連接在一起,它們受到?jīng)_擊載荷激振時(shí),都以各自的固有頻率以振型或者獨(dú)立或者相互影響地進(jìn)行復(fù)雜的瞬態(tài)振動(dòng),再沿多種途徑傳播到內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)表面。圖 1給出了內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳播和輻射噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和傳遞途徑,這些途徑主要有:①燃燒所引起的氣體力,使缸蓋產(chǎn)生振動(dòng),進(jìn)而傳播到氣缸蓋罩和進(jìn)、排氣歧管等零件;②作用在活塞上的燃燒氣體力和慣性力使活塞產(chǎn)生垂向振動(dòng)并沿連桿、曲軸、主軸承、曲軸箱、油底殼等零件傳播;③與此同時(shí),這些作用力又引起活塞橫向敲擊,激發(fā)起缸套和氣缸體的振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致正時(shí)齒輪室蓋、機(jī)油冷卻器等零件的振動(dòng);④進(jìn)排氣流的壓力波動(dòng)激發(fā)進(jìn)排氣歧管及附件的表面振動(dòng)。所有這些振動(dòng)最終的和最有影響的后果,就是引起內(nèi)燃機(jī)表面的高頻振動(dòng),進(jìn)而誘發(fā)出空氣輻射噪聲[10]。

圖1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳播和輻射噪聲產(chǎn)生機(jī)理

為研究上的方便,通常按激振力和傳播途徑,將結(jié)構(gòu)振動(dòng)分為兩類:一類是由燃燒氣體力引起,主要通過活塞、連桿、曲軸、主軸承傳到機(jī)體表面的振動(dòng),稱為燃燒激振,由此誘發(fā)的噪聲稱為燃燒機(jī)械噪聲;另一類是由于活塞與氣缸壁之間存在有間隙,作用在活塞上的氣體壓力、慣性力呈周期性變化,這使得活塞對(duì)氣缸壁的側(cè)推力也呈兩邊反復(fù)作用的特性,活塞在一個(gè)工作循環(huán)中不斷地由一側(cè)接觸,變換為與另一側(cè)相接觸,產(chǎn)生了活塞對(duì)于缸壁的不斷敲擊現(xiàn)象。這種周期性的敲擊使缸套和機(jī)體內(nèi)外表面發(fā)生振動(dòng),稱為活塞敲擊激振,相應(yīng)產(chǎn)生的噪聲,稱為活塞敲擊(機(jī)械)噪聲。內(nèi)表面誘發(fā)的噪聲通過透射途徑到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)外部,而外表面直接輻射噪聲。另外,配氣機(jī)構(gòu)、噴油泵、齒輪沖擊和進(jìn)排氣壓力波動(dòng)等交變力激振都要產(chǎn)生機(jī)械噪聲。本文著重對(duì)燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲進(jìn)行深入分析,由于二者發(fā)生時(shí)刻及頻譜分布重疊在一起,要將二者分離出來或者有更深入的認(rèn)識(shí),必須在傳遞路徑方面著手。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞路徑試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法及原理

圖2所示為燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲試驗(yàn)示意圖,實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括活塞、曲軸、連桿、氣缸體、主軸承蓋和缸蓋等零部件,每次試驗(yàn)時(shí)均嚴(yán)格按照裝配規(guī)范進(jìn)行裝配。在活塞燃燒室中,布置有一個(gè)三向加速度傳感器,信號(hào)線通過缸蓋噴油器孔引出,同時(shí)活塞頂部有一加長(zhǎng)桿伸出于缸蓋之外,通過螺紋與活塞緊密連接在一起,這樣可以在安裝有缸蓋的情況下模擬敲擊活塞頂部。由于最大爆發(fā)壓力一般發(fā)生在上止點(diǎn)后 10°曲軸轉(zhuǎn)角,因此試驗(yàn)時(shí)曲軸盤至該對(duì)應(yīng)位置。在缸蓋、氣缸體、主軸承壁、連桿大頭等處布置有加速度傳感器,通過用力錘敲擊加長(zhǎng)桿頂部或其他部位,即可測(cè)得敲擊點(diǎn)至各測(cè)點(diǎn)處的傳遞函數(shù)。試驗(yàn)次序如表 1所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及結(jié)構(gòu)示意圖

表1 試驗(yàn)方案說明

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),通常用傳遞函數(shù)(輸入和輸出的關(guān)系)來表示其振動(dòng)特性對(duì)于初始為零的穩(wěn)定、定常線性系統(tǒng),傳遞函數(shù)可表示為[10]

式中X(k),F(k)分別為響應(yīng)函數(shù)和激振函數(shù)的傅里葉變換。

傳遞函數(shù)也可以用下式計(jì)算

式中Sx f(k)為輸入與輸出函數(shù)的互功率譜密度函數(shù),Sf f(k)為輸入函數(shù)的自功率譜密度函數(shù)。

對(duì)于一定的線性系統(tǒng),系統(tǒng)傳遞函數(shù)只決定于系統(tǒng)的固有參數(shù):質(zhì)量、剛度和阻尼,與外界條件無關(guān),通常用傳遞函數(shù)來表征系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)特性。傳遞函數(shù)是反映系統(tǒng)振動(dòng)難易程度的一個(gè)度量,對(duì)于相同的激振條件而言,系統(tǒng)響應(yīng)愈強(qiáng),振動(dòng)愈嚴(yán)重。

為了評(píng)價(jià)輸入與輸出信號(hào)之間的因果性,即輸出信號(hào)中有多少是由輸入信號(hào)的激勵(lì)所引起的,通常用相干函數(shù)來表示,定義如下

式中Cxf(k),Sxx(k)為輸出函數(shù)的自功率譜密度函數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)較多,且數(shù)據(jù)量較大,同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)裙部剛度較小振動(dòng)較大,因此本文主要以裙部處的振動(dòng)響應(yīng)為主,結(jié)合其他處振動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行相關(guān)分析。

2.2.1 延長(zhǎng)桿振動(dòng)傳遞特性研究

試驗(yàn)中,為真實(shí)模擬在安裝缸蓋的情況下燃燒噪聲的傳遞特性,在活塞頂部安裝有一延長(zhǎng)桿件,該桿件直接影響振動(dòng)的傳遞特性。

圖3為在敲擊活塞頂部和活塞加長(zhǎng)桿頂端時(shí)燃燒室處測(cè)點(diǎn) 11的幅頻響應(yīng)函數(shù),圖 4為相應(yīng)的相干函數(shù)曲線,_為相干函數(shù)。從頻響曲線可以看出,在Z方向測(cè)點(diǎn) 11的響應(yīng)趨勢(shì)和數(shù)值大小一致,同時(shí),在兩種敲擊下,輸入輸出相干性極強(qiáng)。而在X方向的頻響特性出現(xiàn)明顯差異,在整體幅值上活塞頂部敲擊明顯高于桿端敲擊時(shí)的響應(yīng),這主要是因?yàn)樵跅U端敲擊時(shí),沿X方向的激振力在傳遞路徑中衰減較大所引起。

圖3 測(cè)點(diǎn) 11的頻響曲線

圖4 測(cè)點(diǎn) 11的相干函數(shù)曲線

另外,兩種不同敲擊情況下,在X方向和Z方向的頻響函數(shù)存在明顯不同,即X方向傳遞函數(shù)出現(xiàn)明顯的多峰響應(yīng),且從圖4相干函數(shù)曲線可以看出,這些峰值響應(yīng)與輸入關(guān)系不大,出現(xiàn)峰值的頻率主要有138,877,918,2 420和2 456 Hz,與該延長(zhǎng)桿在一端約束情況下的固有頻率數(shù)值和間隔一致,通過有限元計(jì)算所得延長(zhǎng)桿固有頻率和振型如圖5所示。

試驗(yàn)2中測(cè)點(diǎn)11在X方向的頻率響應(yīng)中,在延長(zhǎng)桿第三階、第四階固有頻率處出現(xiàn)明顯峰值,而由于低頻下結(jié)構(gòu)阻尼比較大,因此在第一和第二階固有頻率處相應(yīng)峰值較小。而在試驗(yàn)1中測(cè)點(diǎn)11在X方向的頻率響應(yīng)中,在延長(zhǎng)桿件固有頻率處同樣出現(xiàn)峰值情況,可見,傳遞結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性是引起結(jié)構(gòu)頻域峰值響應(yīng)的直接原因,這一點(diǎn)對(duì)于研究發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞路徑至關(guān)重要。

圖5 連接桿件模態(tài)振型與固有頻率

圖6和7為在敲擊活塞頂部和活塞加長(zhǎng)桿頂端時(shí)測(cè)點(diǎn)8的頻響曲線,從圖中可以看出,X方向和Z方向頻率分布特性一致,Z方向響應(yīng)較X方向大。加入延長(zhǎng)桿對(duì)測(cè)點(diǎn)8的頻率響應(yīng)在900 Hz以下頻段和桿件模態(tài)頻率附近有一定影響,但對(duì)整體研究工作影響不大。

圖6 測(cè)點(diǎn) 8在X方向的頻響曲線

圖7 測(cè)點(diǎn) 8在 Z方向的頻響曲線

2.2.2 氣體力振動(dòng)傳遞特性分析

文獻(xiàn) [10]表明,燃燒產(chǎn)生的沖擊能量大部分是通過活塞-連桿-曲軸機(jī)構(gòu)傳到機(jī)體表面,引起表面振動(dòng),從而誘發(fā)的噪聲稱為燃燒噪聲。通過試驗(yàn)1得到了在單位氣體力作用于活塞頂部時(shí)所引起連桿、主軸承座及機(jī)體裙部的振動(dòng)響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖 8和圖 9所示。

圖8 測(cè)點(diǎn) 8,9,10在 X方向的頻響曲線

圖9 測(cè)點(diǎn) 8,9,10在 Z方向的頻響曲線

從圖中可以看出,傳遞路徑變長(zhǎng)時(shí),整體響應(yīng)呈減小趨勢(shì),但在結(jié)構(gòu)模態(tài)處呈局部放大趨勢(shì)。由于內(nèi)部傳力零件眾多,各部件連接處接觸剛度小且阻尼大,氣體力傳遞時(shí)能量在整個(gè)頻段得到了極大的衰減。連桿大頭測(cè)點(diǎn)在1 600 Hz左右很寬的頻段內(nèi)頻率響應(yīng)突出。測(cè)點(diǎn)8與測(cè)點(diǎn)9在低頻段頻響變化趨勢(shì)基本一致,但X方向在 2 000 Hz以上頻段裙部響應(yīng)得到大幅度衰減。由此可見,連桿部件和主軸承壁的固有特性對(duì)氣體激振能量傳遞影響較大。

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中,由于各運(yùn)動(dòng)副存在一定間隙,在氣體力和慣性力共同的作用下,該振動(dòng)系統(tǒng)不再是單純的單輸入線性定常系統(tǒng),但無論振動(dòng)傳遞多么復(fù)雜,單個(gè)傳力部件仍可看作是線性定常系統(tǒng),各個(gè)傳力部件通過非線性連接副相連。因此,單個(gè)零部件的固有特性仍是決定氣體力傳遞的主導(dǎo)因素,通過改變它們的固有特性可有效控制氣體力的傳遞特性。

2.2.3 不同途徑引起的裙部振動(dòng)響應(yīng)分析

前文談到結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要有 4條傳遞途徑,其中前 3條傳播途徑與燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲密切相關(guān)。本文通過試驗(yàn)3、試驗(yàn)4和試驗(yàn)6分別對(duì)這3條途徑的振動(dòng)傳遞頻率特性進(jìn)行了分析研究。

圖10和 11所示為前 3條結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞途徑上所引起的頻率響應(yīng)曲線。從圖中可以看出,各試驗(yàn)下測(cè)點(diǎn)8在X方向的響應(yīng)和Y方向的響應(yīng)在整體趨勢(shì)上基本一致,但局部有所不同。

試驗(yàn)4和試驗(yàn) 6為單位激勵(lì)沿途徑一和途徑三所引起裙部的頻率響應(yīng),途徑一和途徑三對(duì) 1 700 Hz左右頻段和 2 100 Hz以上頻段的頻率響應(yīng)影響較大,其中,在整個(gè)頻段途徑三所引起的振動(dòng)響應(yīng)整體趨勢(shì)高于途徑一所引起的響應(yīng)。試驗(yàn) 3說明單位氣體力作用與活塞頂部所引起機(jī)體裙部測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)大小?？梢?由途徑二所引起的頻率響應(yīng)主要發(fā)生在800 Hz以上頻段,頻譜呈寬幅凸峰特性。在試驗(yàn)4和試驗(yàn) 6中敲擊缸套和缸蓋時(shí),可看作單輸入線性系統(tǒng),由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼比較小,因此高頻下頻響相對(duì)試驗(yàn) 3較大,同時(shí)在模態(tài)效應(yīng)作用下頻響曲線出現(xiàn)很多峰值。

圖10 測(cè)點(diǎn)8在X方向的頻響曲線

圖11 測(cè)點(diǎn) 8在 Z方向的頻響曲線

由此可見,對(duì)缸蓋、活塞頂部和缸孔處在單位激勵(lì)力作用下,引起的振動(dòng)響應(yīng)也不同,在2 000 Hz以下頻段,除局部頻率處外由途徑二所引起的振動(dòng)響應(yīng)較大,而在 2 000 Hz以上頻段由途徑一和途徑三所引起的振動(dòng)響應(yīng)較大。

3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響因素與控制

上述傳遞函數(shù)試驗(yàn)所反映的是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞系統(tǒng)的固有特性,表示在單位激振力作用下系統(tǒng)的響應(yīng)情況。而發(fā)動(dòng)機(jī)工作中結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的大小不僅與結(jié)構(gòu)的固有特性有關(guān),還與激勵(lì)力的頻譜特性有關(guān)。

從上述對(duì)氣體力傳遞函數(shù)的分析可知,原則上應(yīng)從以下幾個(gè)方面來降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲:一是從根源上改變氣體力頻譜曲線,降低中高頻頻率成分的幅值;二是從傳播途徑上,增加發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒噪聲的衰減,可通過提高缸體剛度增大阻尼或采取隔聲措施的方法;另外,在傳播途徑上需要控制各連接副之間的間隙,增加油膜厚度,避免在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生更大的沖擊。

降低活塞敲擊噪聲除從傳播途徑上降低結(jié)構(gòu)對(duì)輸入的衰減能力(如提高剛度和增大阻尼)之外,還需要關(guān)注活塞組的設(shè)計(jì)。通過增大活塞裙部剛度、減小活塞重量、設(shè)計(jì)合理的活塞型線和配缸間隙、或采取其他措施,降低活塞對(duì)缸套的敲擊力是降低活塞敲擊噪聲的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,指出了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞的基本途徑,并開展了傳遞函數(shù)試驗(yàn)研究。結(jié)論如下:

(1)通過加入加長(zhǎng)桿可獲得在安裝缸蓋情況下,沿活塞、連桿、主軸承壁傳遞的振動(dòng)響應(yīng)情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn),加長(zhǎng)桿的模態(tài)固有特性對(duì)該途徑振動(dòng)傳遞特性的影響較大,對(duì)其他途徑引起的振動(dòng)響應(yīng)也有一定影響,這也從側(cè)面說明發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳播途徑中結(jié)構(gòu)的固有特性對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)有著重要的影響。

(2)由燃燒氣體力所引起結(jié)構(gòu)表面的響應(yīng)主要通過內(nèi)部傳力部件傳遞,在傳遞路徑中,連桿部件和主軸承壁的固有特性對(duì)氣體激振能量傳遞影響較大。

(3)在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞的 3條主要途徑中,沿著缸蓋和缸孔傳遞的振動(dòng)響應(yīng)主要發(fā)生在2 000 Hz以上頻段,頻譜成尖峰特性,結(jié)構(gòu)模態(tài)效應(yīng)突出。而沿著內(nèi)部傳力部件傳遞的振動(dòng)響應(yīng)頻譜呈寬幅凸峰特性。

(4)通過傳遞路徑實(shí)驗(yàn)說明了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲和活塞敲擊噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

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