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配气机构激励源特性及振动和噪声的预测研究

作　者: 国杰
导　师: 张文平
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 配气机构动力学振动噪声预测模型试验验证
分类号: TK401
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

当前，内燃机的低噪声设计更多的关注了活塞敲击噪声、燃烧噪声以及空气动力性噪声等，缺乏对配气机构振动和噪声的深入研究。随着相关法规和动力设备声学品质的要求的提高，配气机构振动和辐射噪声的研究成为重要课题。配气机构是内燃机重要的振动和噪声源，由其产生的结构振动和表面辐射噪声直接来源于各部件的接触力。建立一个基于激励源特性的配气机构振动和噪声的预测方法是内燃机低噪声设计的必然要求。预测配气机构的激励力需要建立一个合理的动力学模型。影响配气机构动力学规律的因素包括凸轮型线、转速、气阀间隙、润滑以及零件的刚度和质量等。合理的动力学模型应该能够恰当地考虑这些因素的影响，并能够通过数学变量来定性和定量描述。配气机构的各个部分可能采用不同的数学方法进行简化和建模。但是，其目的是一样的，就是使模型的计算结果尽可能地接近真实的动力学响应。本文采用离散体方法建立配气机构的集总参数动力学模型。模型中提出凸轮轴、挺杆、摇臂、气阀和气阀弹簧的新简化方法，即模态匹配法。考虑到这些零件的低阶模态对配气机构振动的贡献最大，依据配气机构振动和噪声的频率分析范围，要求凸轮轴、挺杆、摇臂、气阀和气阀弹簧的简化模型与各自的低阶模态匹配。根据这一建模思想研究集总质量参数、刚度参数和阻尼参数的确定方法。考虑到凸轮-挺柱的接触作用对配气机构的动力学特性的重要影响，建立凸轮-挺柱的接触模型。研究凸轮和挺柱的油膜润滑特性并推导摩擦力的计算公式。采用四阶龙格库塔方法求解动力学模型，并对计算结果进行详细分析。提出采用子系统法建立配气机构的连续体动力学模型，将凸轮轴、挺杆、摇臂、气阀弹簧和气阀杆考虑为连续体，通过零件之间的接触力将零件的刚体运动及其弹性振动耦合起来。由于零件的弹性振动方程为偏微分方程，同时零件之间有脱离接触的可能性，所以本文采用有限差分法求解配气机构的刚-柔耦合动力学方程组。为了避免边界条件的限制，使求解方法更具有通用性，本文结合接触约束方程建立差分边界条件。这种方法能够适应边界条件的实时变化，从而解决了因零件分离带来的求解困难。建立内燃机各部件的有限元模型，采用“耦合+接触”的方法建立各部件的组合结构模型，并通过与模态测试结果的对比验证振动预测模型的有效性；建立配气机构激励力的加载方法，包括凸轮与挺柱的接触力、挺杆与摇臂的接触力、摇臂与气阀杆的接触力、气阀弹簧力以及气阀与气阀座的接触力；在时域内采用分别加载激励力的方法计算了配气机构各激励力单独的和总的结构振动响应。在以上研究的基础上，采用边界元法建立配气机构辐射噪声的时域预测模型，以各激励力产生的结构表面振动响应为边界条件，计算不同激励力产生的结构表面辐射噪声。设计、搭建配气机构动力学、结构振动和辐射噪声测试系统，测量气阀运动的加速度、挺杆受力、气阀杆受力、结构表面的振动加速度和辐射声压.通过预测结果与实测结果的对比来验证本文预测方法和预测模型的正确性，为内燃机配气机构的振动噪声控制和低噪声设计提供理论指导。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-23
  1.1 课题的背景和意义  13-14
  1.2 国内外的研究现状  14-21
    1.2.1 配气机构的动力学计算  14-19
    1.2.2 配气机构振动和噪声研究的现状  19-20
    1.2.3 存在的问题  20-21
  1.3 本文的主要研究内容  21-23
第2章配气机构的离散体动力学模型  23-67
  2.0 引言  23
  2.1 配气机构的结构形式  23-25
  2.2 凸轮型线  25-27
    2.2.1 凸轮的缓冲段  25-26
    2.2.2 凸轮的工作段  26-27
  2.3 配气机构的多自由度动力学模型  27-41
    2.3.1 多自由度模型的建立  28-41
    2.3.2 多自由度模型的求解  41
  2.4 凸轮和挺柱的润滑模型  41-46
    2.4.1 凸轮和挺柱之间的运动学关系  41-43
    2.4.2 凸轮与挺柱的摩擦模型  43-46
  2.5 动力学模型的适用性和简化  46-53
    2.5.1 动力学模型与结构型式  46-48
    2.5.2 多缸机配气机构的动力学模型  48
    2.5.3 传动比的处理  48-51
    2.5.4 单自由度动力学模型  51-52
    2.5.5 二自由度动力学模型  52-53
    2.5.6 四自由度动力学模型  53
  2.6 算例分析  53-65
    2.6.1 气阀的动力响应分析  54-59
    2.6.2 气阀弹簧的振动特性分析  59-60
    2.6.3 凸轮与挺柱的润滑特性分析  60-62
    2.6.4 凸轮轴的载荷特性分析  62-64
    2.6.5 挺杆和摇臂的振动特性分析  64-65
  2.7 本章小结  65-67
第3章配气机构的连续体动力学模型  67-112
  3.1 引言  67-68
  3.2 子系统法  68-71
  3.3 配气机构连续体动力学模型的建立  71-87
    3.3.1 凸轮轴的连续体动力学模型  73-78
    3.3.2 挺柱的动力学模型  78-79
    3.3.3 挺杆的连续体动力学模型  79-80
    3.3.4 摇臂的动力学方程  80-82
    3.3.5 气阀弹簧的动力学方程  82-85
    3.3.6 气阀组的动力学模型  85-87
  3.4 配气机构多体动力学模型的求解  87-95
    3.4.1 凸轮轴动力学方程的求解  87-92
    3.4.2 挺柱和挺杆动力学方程的求解  92
    3.4.3 摇臂的动力学方程的求解  92-94
    3.4.4 气阀弹簧动力学方程的求解  94
    3.4.5 气阀组的动力学控制方程  94-95
  3.5 计算结果分析  95-111
    3.5.1 气阀组动力学规律分析  96-100
    3.5.2 高速下传动链接触规律分析  100-102
    3.5.3 零件弹性变形规律分析  102-104
    3.5.4 配气机构激励源特性分析  104-111
  3.6 本章小结  111-112
第4章配气机构机械振动的时域预测  112-149
  4.1 引言  112
  4.2 基于时域有限元法的结构振动预测  112-114
  4.3 有限元模型的建立  114-117
    4.3.1 网格尺寸的确定  114-116
    4.3.2 组合结构建模方法  116-117
  4.4 模型检查  117-127
    4.4.1 模态试验方案设计  118-119
    4.4.2 部件自由模态参数的对比分析  119-124
    4.4.3 组合结构模态参数的对比分析  124-127
  4.5 载荷的施加  127-130
    4.5.1 摇臂轴载荷的加载  127-128
    4.5.2 凸轮轴载荷的加载  128-129
    4.5.3 气阀弹簧激励力的加载  129-130
    4.5.4 气阀座激励力的加载  130
  4.6 计算结果分析  130-148
    4.6.1 凸轮-挺柱接触力的影响  131-136
    4.6.2 挺杆和摇臂接触力的影响  136-139
    4.6.3 摇臂和气阀杆作用力的影响  139-140
    4.6.4 气阀弹簧力的影响  140-142
    4.6.5 气阀与气阀座接触力的影响  142-144
    4.6.6 合力的作用效果和各激励力作用效果的比较  144-148
  4.7 本章小结  148-149
第5章配气机构机械噪声的时域预测  149-170
  5.1 引言  149
  5.2 基于时域边界元法的结构声辐射预测  149-154
    5.2.1 时域积分方程  149-152
    5.2.2 数值实现  152-154
  5.3 计算结果分析  154-169
    5.3.1 凸轮-挺柱作用力的影响  154-157
    5.3.2 挺杆和摇臂作用力的影响  157-159
    5.3.3 摇臂与气阀作用力的影响  159-161
    5.3.4 气阀弹簧力的影响  161-163
    5.3.5 气阀与气阀座接触力的影响  163-165
    5.3.6 合力作用效果分析  165-169
  5.4 本章小结  169-170
第6章配气机构的动力学和振动噪声试验  170-202
  6.1 引言  170
  6.2 动力学试验  170-180
    6.2.1 动力学试验方案设计  170-173
    6.2.2 动力学试验结果分析  173-180
  6.3 振动和噪声试验  180-201
    6.3.1 振动和噪声测试系统的构成  180-183
    6.3.2 内燃机表面振动计算结果与实测结果的对比分析  183-191
    6.3.3 内燃机表面辐射噪声计算结果与实测结果的对比分析  191-201
  6.4 本章小结  201-202
结论  202-206
参考文献  206-215
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  215-216
致谢  216-217
附录  217-219

配气机构激励源特性及振动和噪声的预测研究

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