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[发动机] 蠕墨铸铁发动机缸体噪声辐射测试分析

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发表于 2020-5-9 09:12:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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蠕墨铸铁发动机缸体噪声辐射测试分析

胡 溧1, 何一鸣1, 杨啟梁1, 王 佳2
(1. 武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北 武汉 430065; 2. 东风商用车技术中心,湖北 武汉 430000)
【中国汽车材料网】摘 要:为准确分析蠕墨铸铁发动机缸体噪声辐射特性,基于LMS Test.Lab软件,使用力锤冲击激励法分别对灰铸铁和蠕墨铸铁铸成的发动机缸体进行振动噪声测试,基于理论推导出的力能量和声能量计算公式,使用激励力加权系数法进行加权分析。分析结果表明,被测的蠕墨铸铁发动机缸体力-声能量转换效率比灰铸铁发动机缸体力-声能量转换效率低35.43%,降噪性能优于灰铸铁发动机缸体。此研究表明力-声能量转换效率分析方法可以很好地分析不同材料发动机缸体的噪声辐射性能,为改善发动机缸体的噪声辐射性能提供理论基础。
关键词:发动机缸体; 蠕墨铸铁; 声能量; 力-声能量转换效率; 模态参与因子

[size=1em]目前,新型材料是提升发动机各项性能的重要途径。在选择发动机缸体材料时,原本追求的主要目标是:满足高强度、良好的热疲劳性能,良好的紧凑型和轻量化[1];因此,抗拉强度、屈服强度、弹性模量更大,但密度却和灰铸铁几乎相同的蠕墨铸铁迅速发展,广泛应用于发动机缸体的铸造[2]。

[size=1em]近年来,发动机是否具有良好的噪声、振动和行驶平顺性成为了其能否被市场接受的重要指标。所以,需要比较蠕墨铸铁缸体和灰铸铁缸体的噪声辐射性能。曾金玲[3]采用有限元法和多体动力学方法相结合的方法来计算发动机整机的表面速度级,从而分析发动机的结构表面噪声。林琼等[4]采用了集多体动力学分析方法(MBS)、有限元分析方法(FEM)、声学仿真分析方法(边界元法,BEM)为一体的数字化仿真技术,对发动机的NVH水平进行预测。谈江林[5]运用有限元方法和边界元方法,探究将某发动机缸体镁合金化后,对整机的NVH性能的影响并和原先的铸铁缸体发动机进行了对比分析。史蒂夫·道森[6]对比了用蠕墨铸铁和灰铸铁制造的发动机的振动噪声,结果表明,蠕墨铸铁发动机的商用车和客用车的第一阶扭转振动频率增大、噪声水平降低。

[size=1em]在评价发动机的噪声辐射性能方面,尤其对装备不同材料发动机缸体的噪声辐射性能分析和对比时,多采用数字化仿真技术,对发动机的噪声辐射进行预测。需要在前期基于试验结果,对仿真模型进行校准,且对实际结构做了许多简化处理,不确定性更大。通过试验方法进行比较时,需要进行发动机台架试验[7],所需仪器复杂,并且试验中发动机排出的废气会造成一定的环境污染和能源浪费。因此,提出一个简单有效的发动机缸体噪声辐射性能分析方法成为本行业关心和研究的热点问题。

[size=1em]本文运用试验测试分析方法,对分别由灰铸铁和蠕墨铸铁铸造的某同型国产直列六缸柴油发动机缸体进行测试分析,比较两者的噪声辐射性能。该测试分析方法可为不同材料物体的噪声辐射性能分析和对比提供有力支撑。


1 力-声能量转换效率计算理论

[size=1em]为有效地分析发动机缸体的噪声辐射性能,拟采用力-声能量转换效率计算方法,通过对采集到的力信号、加速度信号和声压信号的处理,计算得到发动机缸体各点的力-声能量转换效率,从而对发动机缸体的噪声辐射性能进行分析。

1.1 有效时域信号的截取

[size=1em]根据发动机缸体实际运行时的发声机理,可将发动机缸体受到的撞击噪声分为加速度噪声与自鸣噪声两种。物体在相互撞击时,受到一个峰值很高,持续时间很短的撞击力的作用。物体在撞击的瞬间,具有很高的加速度,这就使得周围的介质产生一个压力扰动,这种压力扰动被称为加速度噪声。有的物体在撞击力的激发下,发生振动,并向周围的介质辐射声音,这种噪声称为自鸣噪声。测试中发动机缸体受到力锤的撞击而产生的振动是一种衰变的振动,其振幅不断变小。所以,可通过被激励面上三向传感器测得的加速度时域信号幅值,对有效的时域信号进行截取。

1.2 力锤输入力能量的计算

[size=1em]将LMS Test.lab软件采集得到的力锤时域信号通过计算,得到力锤对被测缸体输入的力能量,可以为后期计算力-声能量转换效率提供依据。

[size=1em]激励力的时域信号曲线和坐标轴围成的面积,即为力锤测试时输入的冲量,可用下式表示:

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[size=1em]式中:I——力锤的冲量;

[size=1em]Fi——力锤在每一时刻的力;

[size=1em]t1——力锤的有效时域信号开始时间;

[size=1em]t2——力锤的有效时域信号截止时间。根据动量定义(p=mv),牛顿第二定律F=ma可以表述为:

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[size=1em]式中:p ——力锤的动量;

[size=1em]t——力作用的有效时间。

[size=1em]由式(2)可知,力F在dt时间内的累积效应等于质点动量的增量。由于动量定理可以定量地描述物体所受外力的冲量与物体动量变化之间的关系:

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[size=1em]式中:I——力锤的冲量;

[size=1em]Δp——力锤动量的变化量。

[size=1em]因此,力锤与缸体接触的极短时间内产生的冲量,可近似等于力锤与缸体接触瞬间的瞬时速度乘以力锤质量,减去接触后的瞬时速度乘以力锤的质量,即力锤产生的冲量等于力锤动量的变化量:

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[size=1em]力锤输入的力能量可用下式表示:

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[size=1em]式中:m锤——力锤的质量;

[size=1em]v1——力锤撞击缸体前的速度;

[size=1em]v2——力锤撞击缸体后的速度。

[size=1em]测试分析时,可忽略力锤撞击缸体后,测试人员使力锤保持静止吸收的能量,将力锤撞击缸体后的速度v2予以简化,近似为0,那么力锤产生的冲量和输入的力能量为

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1.3 声学传感器接收声能量的计算

[size=1em]力锤激励发动机缸体所产生的声波波阵面可以近似为半球面,且半球面上各点声压相同。试验中检测到的声信号为等时间间隔的数字信号,则声学传感器采集到的声能量可表示为

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[size=1em]式中:r——被测物体到声学传感器的距离;

[size=1em]Pe ——有效声压 4ab3b6a90d553fcbd6007413b86544ff.jpg

[size=1em]ρ0 ——空气密度,ρ 0=1.21 kg/m3;

[size=1em]c0——空气中的声速,c 0=344 m/s ;

[size=1em]T——截断后有效的声压信号时长。

1.4 力-声能量转换效率的计算

[size=1em]将式(7)、式(8)得到的力能量、声能量代入下式,可得到测点的力-声能量转换效率:

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2 发动机缸体振动噪声测试2.1 试验对象、设备与环境

[size=1em]选取由灰铸铁和蠕墨铸铁铸成的某重型商用车发动机缸体为试验对象,如图1所示。依次将两个发动机缸体放置于4个气垫支撑的钢板上,以模拟其处于自由状态。主要试验设备有LMS.SCADAS数据采集前端、力锤、GRAS声传感器、PCB公司的三向ICP型加速度传感器、装有数据采集和分析软件Test.Lab.15A的高性能计算机等。

[size=1em]为减少环境噪声的影响,测试选择在半消声室内进行,正式测量前,先对环境噪声进行测量,环境噪声为14.8 dB。该环境下测得噪声能满足后续对不同材料发动机缸体噪声辐射性能研究的要求[8]。

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[size=0.8em]图1 发动机缸体

2.2 测点的选择

[size=1em]2.2.1 模态参与因子

[size=1em]模态参与因子是用来研究被测物体各阶模态的相对重要性及所选输入自由度的有效性的工具,输入n对模态r的参与因子 M Pnr 计算公式为

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[size=1em]式中:x——输出自由度;

[size=1em]Axnr ——输出x、输入n、模态r的留数。

[size=1em]表1为使用某同类型六缸直列柴油发动机缸体进行预试验,得到的模态参与因子。可以看出,第1、2、4阶模态对整体的参与因子分别为50.46%、15.44%、16.54%,占整体模态的82.44%。

[size=0.8em]表1 发动机缸体模态参与因子
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[size=1em]基于模态频率响应理论,被激励物体响应点的位移幅值,为被激励物体各阶模态对该响应点的位移叠加和耦合。通过模态参与因子分析可以找出是哪些主要模态的响应叠加,导致峰值频率处的响应。结合图2发动机缸体前四阶模态振型可知,缸体上表面、端面水套孔中心线所在的水平面和主轴承孔中心线所处的水平面均易产生较大位移,应选为后续振动噪声测试的激励点。

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[size=0.8em]图2 发动机缸体模态振型图

[size=1em]2.2.2 发动机缸体受到的激励力

[size=1em]试验拟通过力锤激励模拟发动机缸体受到的各激励力。六缸直列柴油发动机缸体辐射的噪声主要有气体动力噪声、液体动力噪声、机械动力噪声。研究表明,在发动机实际运行过程中,液体动力噪声很小,可以忽略。发动机缸体的主要辐射噪声为结构表面振动引起的结构振动噪声。因此,本次试验主要模拟发动机缸体受到的燃烧激励力、活塞侧向力、主轴承力和曲轴组的轴向窜动力。

[size=1em]由于活塞侧向力主要作用于缸体上半部中间层和端面水套孔中心线所在平面[9];主轴承力和曲轴组的轴向窜动力主要作用于主轴承孔中心线所处的水平面[10],与模态参与因子分析所确定的易产生较大位移处结合,可得测点选择如表2所示。

[size=0.8em]表2 发动机缸体测点的选择
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[size=1em]表2中,激励点1-4为缸体的前后端面轴向和竖直方向测点,模拟缸体受到的主轴承力和曲轴组轴向窜动力。激励点5为缸体顶部测点,模拟缸体受到的竖直方向主轴承力和燃烧激励力[11]。激励点6-11为气缸内壁测点,模拟缸体受到的水平方向燃烧激励力和活塞侧向力。激励点12-20为缸体两侧裙部测点,模拟缸体受到的水平方向活塞侧向力和主轴承力。测试时,力锤依次锤击20个测点。

2.3 信号采集传感器的设置

[size=1em]根据GB/T 1859-2000《往复式内燃机 辐射的空气噪声测量工程法及简易法》放置GRAS声传感器。将一个包络发动机缸体主要噪声辐射部位并终止于反射面上的最小矩形六面体作为基准体,确定基准体尺寸时可以不考虑辐射噪声不大的发动机缸体凸出部分。声压传感器位于发动机缸体各包络面中心,距缸体外表面1 m[12]。由于半消声室内物品摆放限制,且发动机缸体后端面不是噪声主要辐射面,所以使用4个GRAS声传感器采集相应声学信号。另外将5个三向加速度传感器放置于最小矩形六面体的被激励面中心。试验布置如图3所示。

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[size=0.8em]图3 发动机缸体测试布置图

2.4 振动噪声信号采集

[size=1em]在MIMO FRF Testing模块中对力锤、三向加速度传感器和声学传感器进行方向、灵敏度等设置,测试带宽根据试验目的选定为5 120 Hz,频率分辨率为1.25 Hz,每个测点平均5次采样数据,多次冲击平均可以减少不相关噪声对响应信号的影响。采集各测点受到力锤的激励力,缸体振动产生的加速度,以及声学传感器接收到的声压信号[13]。更换测点后需同步改变测点激励方向。

[size=1em]测试时,通道超过量程范围时,应当舍弃该组数据,重新测定通道量程后再进行测试;力锤使用金属锤头,冲击位置要精确。力锤在冲击瞬间,速度矢量应该与力传感器的灵敏轴在同一条线上,并垂直于试验结构表面,其偏差应小于10°。测试过程中,实时监测声、振信号和力锤的力学信号之间的相干函数,保证频响函数的清晰度和一致性。

3 发动机缸体测试结果分析

[size=1em]对六缸发动机缸体的振动特性进行分析可知,对于直列六缸柴油发动机缸体而言,缸体的整体弯曲振动模式和裙部平板弯曲振动模式对振动和噪声影响最大。缸体整体弯曲模式为在低、中频振动,整个缸体呈现出整体的横向弯曲振动;而在高频带,缸体的每一个侧面尤其是缸体裙部,产生独立的弯曲振动,称之为平板模式。由于主轴承座隔板部分的弯曲振动变形,导致缸体的裙部开合振动,对缸体裙部以及与之连接的刚度较低的油底壳振动都有不利影响。因此发动机缸体左右两侧面,即6个气缸水平排列的两侧,更容易产生垂直于发动机外表面的振动,进而产生辐射噪声,且它们的噪声辐射面积也大于前后两个端面。另外,经相干性测试可知,被测发动机缸体的左右两端面相干系数一致。因此,本次试验分析时,选用图3中的2号麦克风测得的声学信号进行声能量的计算。

[size=1em]通过LMS MIMO FRF Testing模块对不同材料的发动机缸体进行测试,将测得的力信号、加速度信号、声压信号进行有效时域信号的截取,使用式(7)~式(9)进行计算,可得到被激励点的冲量、力能量、麦克风接收的声能量及能量转换效率。以1号测点为例,两种发动机缸体1号测点的力-声能量转换效率对比,如表3所示。

[size=1em]依次计算所有测点,可得灰铸铁和蠕墨铸铁铸造的某国产直列六缸柴油发动机缸体各激励点的力-声能量转换效率和相对差值((灰铸铁缸体转换效率-蠕墨铸铁缸体转换效率)/灰铸铁缸体转换效率),如表4所示。

[size=0.8em]表3 1号测点力-声能量转换效率对比
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[size=0.8em]表4 各测点力-声能量转换效率
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[size=1em]由表可知,对于整个发动机缸体而言,蠕墨铸铁发动机缸体的20个测点中,有18个测点的力-声能量转换效率低于灰铸铁发动机缸体,仅6号、12号测点力-声能量转换效率高于灰铸铁发动机缸体。

[size=1em]天津大学的宋宝安[14]运用曲柄连杆机构多体动力学仿真分析某模态振型、缸体形状相似的六缸直列柴油发动机缸体。结果表明,活塞与气缸套之间的活塞侧向力最大值出现在活塞上止点以后30°曲轴转角处,约为12 450 N;曲柄销水平方向最大载荷约为12 500 N;第一、第七主轴承竖直方向最大载荷约为81 000 N,其余5个主轴承竖直方向最大载荷约为60 000 N;各主轴承的径向最大载荷约20 000 N。对比发动机缸体与激励点位置,提出激励力加权系数加权本研究各激励点,如表5所示。这说明对这两种除材料外,结构、作用基本相同的发动机缸体进行测试分析时,蠕墨铸铁(RT450)发动机缸体的力-声能量转换效率比灰铸铁(HT250)发动机缸体低35.43%,降噪性能优于灰铸铁发动机缸体,蠕墨铸铁材料对于发动机缸体的噪声辐射效率有明显的降低作用。

[size=0.8em]表5 激励力加权系数及加权后的转换效率相对差值
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4 结束语

[size=1em]本文提出了力-声能量转换效率测试方法,对灰铸铁和蠕墨铸铁铸成的某同型国产直列六缸发动机缸体进行测试,推导了力能量和声能量的计算公式,计算了两种材料发动机缸体的力-声能量转换效率,通过对比力-声能量转换效率,得到如下结论:

[size=1em]1)两种材料发动机缸体的力-声能量转换效率均在千分之一左右,为同一数量级。蠕墨铸铁发动机缸体的力-声能量转换效率比灰铸铁发动机缸体低35.43%。因此,将发动机缸体材料由灰铸铁(HT250)改为蠕墨铸铁(RT450)对噪声辐射性能有较为明显的改善作用。

[size=1em]2)通过力-声转换效率分析方法,可以从能量角度,在数值上,对不同材料发动机缸体的噪声辐射能力进行直观地对比,分析蠕墨铸铁发动机缸体的噪声辐射性能。与传统的整机噪声试验相比,不需要进行整机的台架试验,简化了测试的流程,降低了测试的要求。该测试分析方法能很好的分析不同材料发动机缸体的噪声辐射性能,并可为实际工程应用提供借鉴。


参考文献

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