发动机的振动分析与控制解析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主讲：胡爱军,汽车振动与噪声控制,1,主讲：胡爱军汽车振动与噪声控制1,第3章 发动机的振动分析与控制,3.1发动机的振动激励源分析,3.2发动机隔振技术,3.3发动机气门振动,2,第3章 发动机的振动分析与控制3.1发动机的振动激励源分析,3.1发动机的振动激励源分析,发动机工作中产生的不平衡惯性力和力矩是引起汽车振动的主要激励源之一。,发动机悬置系统是汽车振动系统重要的子系统，适当选择发动机支承参数，不仅可使整车振动及噪声水平明显下降，而且能防止发动机机件过早损坏，提高车上各零部件的疲劳寿命。,3.1.1单缸发动机的激励源,3,3.1发动机的振动激励源分析 发动机工作中产生的,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,1.惯性力激励源,讨论发动机振动时，常在保证重心位置和总质量不变的条件下，把整套曲柄连杆的质量用集中在曲柄销与活塞销上的两个质量来代替。,集中在曲柄销的质量等速圆周运动的离心惯性力为：,为曲轴的角速度。,集中在活塞销的质量作上下往复运动：,为曲柄半径与连杆长度之比。,4,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源1.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,1.惯性力激励源,根据,ABC和OAB的几何关系，得,：,活塞位移的近似公式。,活塞速度公式。,活塞加速度公式。,集中在活塞销上质量的往复惯性力：,5,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源1.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,1.惯性力激励源,集中在活塞销上质量的往复惯性力：,单缸发动机中往复运动部分的惯性力由两部分组成：,(1),幅值为 ，变化频率等于曲轴角速度即 ；曲轴每转一转，它变化一次，称为一次惯性力。,(2),幅值为 ，变化频率等于2倍的曲轴角速度即 ；曲轴每转一转，它变化二次，称为二次惯性力。,6,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源1.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,2.单缸发动机的总激励源,当发动机工作时，作用在曲柄连杆机构上的主动力是：,为活塞顶面上气体的爆发压力；为活塞直径。,活塞的受力平衡方程：,可解出连杆的轴向力 和活塞的侧向压力 ：,7,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源2.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,2.单缸发动机的总激励源,迫使曲轴旋转的主动力矩为：,由上式可知，气体压力和往复惯性力对曲轴产生周期性转矩，变动幅值较大，激起曲轴系统的扭转振动。,活塞作用在缸体上的侧向压力为：，这产生一反力矩，使发动机缸体绕曲轴轴线作反向转动。,8,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源2.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,2.单缸发动机的总激励源,曲轴的受力平衡方程：,解出支承的反作用力：,曲轴作用在轴承上的铅垂力 ，由三部分组成：,气体压力 与作用在发动机气缸顶部的气体压力 互相平衡，只能使气缸受到拉伸或压缩，不会引起汽车振动；往复惯性力 和惯性离心力 的铅垂分量会传到车架上，引起整车的铅垂振动。,9,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源2.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.1单缸发动机的激励源,2.单缸发动机的总激励源,曲轴作用在轴承上的水平力 ，由三部分组成：,气体压力和往复惯性力部分 与活塞对缸壁的压力 构成一反转力偶，该反转力矩通过发动机支承点传到车架上，使整车产生横向摆动；旋转质量的惯性离心力的水平分量传到车架上，引起整车水平振动。,10,3.1发动机的振动激励源分析3.1.1单缸发动机的激励源2.,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸直列发动机可视为由曲轴连接起来的几个单缸发动机。作用在整个缸体上的干扰力，应是各单缸受到的干扰力组成的一组空间力系。,多缸发动机受力,发动机缸体受力,11,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,设以 表示第,i,个曲柄相对于第1个曲柄的夹角，设有,n,个缸，可得回转离心力在垂直方向的合力为：,12,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,往复惯性力的合力为：,13,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,总铅垂干扰力为：,14,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,水平干扰力仅与旋转质量的离心惯性力 的水平分量有关：,15,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,绕水平,y,轴转动的干扰力矩,My,等于各缸铅锤干扰力对,y,轴的力矩：,l,i,为第,i,个曲柄到简化中心的距离。,16,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,绕铅垂轴的干扰力矩等于各缸水平干扰力对,x,轴的力矩，它仅与旋转惯性力有关：,17,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.1发动机的振动激励源分析,3.1.2多缸发动机的激励源,多缸发动机受力,发动机缸体受力,绕曲轴轴线的扭转干扰力矩是与惯性力及气体压力有关的周期函数。,作用在直列多缸发动机上的干扰力和干扰力矩都是曲轴转角的周期函数，它们引起发动机和车架的振动。,18,3.1发动机的振动激励源分析3.1.2多缸发动机的激励源多缸,3.2发动机隔振设计,3.2.1隔振原理,隔振分为：主动隔振和被动隔振。,振源是机器本身，使它与地基隔离，减少对周围的影响，称为主动隔振。,(1),主动隔振,设机器的铅垂不平衡力,隔振前,隔振后,隔振前传到地基的力就是,经隔振装置传到地基的力有两部分：,经弹簧传给地基的力：,经阻尼器传给地基的力：,19,3.2发动机隔振设计3.2.1隔振原理 隔振分为,3.2发动机隔振设计,3.2.1隔振原理,隔振分为：主动隔振和被动隔振。,(1),主动隔振,隔振前,隔振后,是相同频率、相位差90度的简谐作用力。,传给地基的力的最大值为：,系统稳态响应的振幅为：,将实际传递的力幅与激励力力幅的比值称为力传递率（隔振系数）：,20,3.2发动机隔振设计3.2.1隔振原理 隔振分为,3.2发动机隔振设计,3.2.1隔振原理,隔振分为：主动隔振和被动隔振。,(2),被动隔振,若振源是支座运动，为减少支座位移对机器等产生的振动，需采取一定的隔振措施，称为被动隔振。,隔振后系统稳态响应的振幅为：,位移传递率：,令：,传递率,21,3.2发动机隔振设计3.2.1隔振原理 隔振分为,3.2发动机隔振设计,3.2.1隔振原理,结论：,幅频特性,当 和 时，传递率等于1。,传递率与阻尼无关，即传递的力或位移与施加给系统的力或位移相等。,传递的力或位移比施加给系统的力或位移大。,传递率随激励频率的增大而减小。,(1),不论阻尼比为多少，只有在 时才有隔振效果；,(2),对于给定的 值，当阻尼比减小时，传递率也减小。,实际采用的频率比常在2.54.5之间，隔振效率为80%90%。,22,3.2发动机隔振设计3.2.1隔振原理结论：幅频特性当,3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(1),发动机悬置系统的物理模型,发动机用弹性支承安装在车架上，一般有三点支撑和四点支撑。,三点支撑,四点支撑,23,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(1),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(1),发动机悬置系统的物理模型,发动机总成简化为空间刚体，具有6个自由度。,广义坐标矢量：,坐标系的原点选在平衡位置的重心上，x轴平行于曲轴轴向指向汽车前方，y轴垂直于各气缸中心线所在的平面指向发动机右侧，z轴铅垂向上。,发动机的弹性支撑一般有液力支撑和橡胶支撑，由于发动机的各支点位置相距较近，常略去支撑垫的扭转弹性，把橡胶垫简化为沿空间三个轴都有弹性的弹簧，刚度分别为 ；,24,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(1),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(2),发动机悬置系统的质量矩阵和刚度矩阵,发动机总成作刚体运动时的动能为：,矩阵形式：,25,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(2),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(2),发动机悬置系统的质量矩阵和刚度矩阵,如果,x,、,y,、,z,轴是发动机总成的惯性主轴，则,质量矩阵：,26,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(2),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(2),发动机悬置系统的质量矩阵和刚度矩阵,设发动机悬置系统有n个支撑元件，各支撑元件位置坐标分别为,每个弹性元件的安装角度由三个欧拉角 确定。,经过一系列推导，得刚度矩阵：,27,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(2),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(3),发动机悬置系统的固有频率和振型,为,A,阵的特征值，,为,其,的特征向量。,28,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(3),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(4),发动机悬置系统的优化设计,29,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(4),3.2发动机隔振设计,3.2.2发动机悬置模型及优化设计,(4),发动机悬置系统的优化设计,优化设计的约束条件一般包括：,(1)悬置安装位置,(2)悬置元件性能要求,(3)极限工况位移限制,在发动机起动、汽车制动和转向等工况下，为避免动力总成产生过大位移而与其他部件发生干涉，通常需要从设计方面限制动力总成在各个方向的最大位移量。,30,3.2发动机隔振设计3.2.2发动机悬置模型及优化设计(4),3.3发动机气门振动,3.3.1发动机气门振动模型,发动机气门振动会使气门弹簧产生较大的附加应力而发生疲劳破坏，振动所引起的加速度会使气门机构传动链出现“脱开”现象而使运动失去控制。,无阻尼单自由度系统的运动微分方程：,m,e,气门系统的等效质量，k,1,k,2,为等效刚度，y(t)为凸轮的升程。,系统的固有频率：,31,3.3发动机气门振动3.3.1发动机气门振动模型,3.3发动机气门振动,3.3.1发动机气门振动模型,三自由度系统：,32,3.3发动机气门振动3.3.1发动机气门振动模型三自由度系统,3.3发动机气门振动,3.3.1发动机气门振动模型,三自由度系统：,推导得频率方程：,33,3.3发动机气门振动3.3.1发动机气门振动模型三自由度系统,3.3发动机气门振动,3.3.1发动机气门振动模型,发动机气门系统的激励力完全取决于凸轮的升程特性。可近似用傅氏级数来表示：,可求出发动机气门系统的运动规律。,34,3.3发动机气门振动3.3.1发动机气门振动模型,3.3发动机气门振动,3.3.2发动机气门振动控制措施,35,3.3发动机气门振动3.3.2发动机气门振动控制措施35,