發(fā)動機(jī)振動與噪聲成因與解決方法

于濤

摘要：由于汽油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，以及劇烈燃燒不均勻等，導(dǎo)致在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶有劇烈振動與噪聲，從而影響發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性與穩(wěn)定性。據(jù)此，文章以無人機(jī)活塞式汽油發(fā)動機(jī)為例，基于不同結(jié)構(gòu)形式發(fā)動機(jī)的振動與噪聲成因進(jìn)行詳細(xì)分析，通過被動振動阻隔的方式設(shè)計發(fā)動機(jī)雙層隔振系統(tǒng)，以此切實解決發(fā)動機(jī)振動與噪聲問題，進(jìn)而確保無人機(jī)的穩(wěn)定、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：汽油發(fā)動機(jī);振動;噪聲;隔振系統(tǒng)

中圖分類號：TPl8;TS51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0130-03

基于無人機(jī)活塞式汽油發(fā)動機(jī)，受自身結(jié)構(gòu)與燃燒不均勻等要素的嚴(yán)重影響，使其在運(yùn)作時帶有劇烈振動。因此，不論是飛機(jī)還是汽車等既有成熟應(yīng)用中，都會帶有一定的減振隔振系統(tǒng)，以減少或消除振動影響m。

1發(fā)動機(jī)振動與噪聲成因

無人機(jī)用汽油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)形式主要有四種，即單缸發(fā)動機(jī)、對置雙缸發(fā)動機(jī)、對置四缸發(fā)動機(jī)、直列雙缸發(fā)動機(jī)。

1.1單缸發(fā)動機(jī)振動與噪聲來源

對于活塞式汽油發(fā)動機(jī)振源分析，曲柄連桿的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析是其重要前提條件。單缸發(fā)動機(jī)的振動和噪聲出現(xiàn)主要是由于氣壓力與往復(fù)慣性力的影響，導(dǎo)致傾覆力矩發(fā)生扭振現(xiàn)象，再加上一階與二階往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力等多重作用。而發(fā)動機(jī)往復(fù)慣性力太大，在高頻狀況下，更加嚴(yán)重，勢必會導(dǎo)致嚴(yán)重失衡，進(jìn)而惡化設(shè)備工況。

1.2對置雙缸發(fā)動機(jī)振動與噪聲來源

汽油發(fā)動機(jī)兩個氣缸基于空間位置相錯開的關(guān)鍵優(yōu)勢是氣缸軸線之間距離允許設(shè)計為最小狀態(tài)，不必被缸體所影響，這樣極易造成發(fā)動機(jī)缸體之間的慣性力矩大大縮減，以防止失衡。因為二沖程對置雙缸發(fā)動機(jī)的兩氣缸同步點火，不存在角相位差，但是軸線之間存在180°的差異，一階與二階往復(fù)慣性力相等，方向也處于相反狀態(tài)，不存在相位差，二者在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時彼此抵消。兩氣缸旋轉(zhuǎn)慣性力也是如此。由于兩氣缸軸線無法完全重合，具有一定的軸間距，一階與二階往復(fù)慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力將會形成偶矩。此外，對置雙缸發(fā)動機(jī)的氣缸軸線間距偏小，偶矩量值較小。

綜上，對置雙缸發(fā)動機(jī)振動與噪聲的原因主要是，氣壓力與往復(fù)慣性力導(dǎo)致傾覆力矩扭振;不存在一階與二階往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力;不存在一階和二階往復(fù)慣性力偶矩;旋轉(zhuǎn)慣性力偶矩。

1.3對置四缸發(fā)動機(jī)振動與噪聲來源

二沖程對置四缸發(fā)動機(jī)也可以說是兩個雙缸發(fā)動機(jī)沿著軸線彼此串聯(lián)以此構(gòu)成。其中后面的兩個氣缸點火的相位角和前面兩個氣缸間的差角是180°，曲軸旋轉(zhuǎn)大約一周的狀態(tài)，氣缸就能完成兩次性點火的任務(wù)。對置四缸發(fā)動機(jī)的全部氣缸相關(guān)力都會在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中彼此抵消。此外，點火相位角存在角度差，兩個氣缸的力偶矩一直都是相同或者方向相反狀態(tài)，都可彼此抵消。

綜上，對置四缸發(fā)動機(jī)振動和噪聲出現(xiàn)的主要原因是，氣壓力與往復(fù)慣性力造成傾覆力矩扭振現(xiàn)象;不存在一階與二階往復(fù)慣性力，旋轉(zhuǎn)慣性力偶矩;不存在旋轉(zhuǎn)慣性力偶矩。

1.4直列雙缸發(fā)動機(jī)振動與噪聲來源

直列雙缸發(fā)動機(jī)是對置四缸發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)一側(cè)。其前面與后面兩氣缸點火相位角的差異是180°，曲軸旋轉(zhuǎn)一整周，氣缸就會實現(xiàn)整個周期的兩次點火。兩氣缸在相同一側(cè)進(jìn)行合理布局，但是點火相位角之間存在一定差距，且往復(fù)慣性力與旋轉(zhuǎn)慣性力可抵消。就二階往復(fù)慣性力來講，兩氣缸是彼此疊加的狀態(tài)。一般來說，直接雙缸發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)端氣缸與固定基座的距離較遠(yuǎn)，這勢必會導(dǎo)致基座承載力需求量增加，很容易影響機(jī)體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

綜上，直列雙缸發(fā)動機(jī)振動與噪聲的主要原因是，氣壓力與往復(fù)慣性力造成傾覆力矩扭振;不存在一階往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力;不存在往復(fù)慣性力;一階往復(fù)慣性力偶矩與旋轉(zhuǎn)慣性力偶矩超出對置雙缸發(fā)動機(jī);無二階往復(fù)慣性力偶矩。

2發(fā)動機(jī)振動與噪聲的解決方法

為有效解決發(fā)動機(jī)振動與噪聲，本文進(jìn)行了隔振系統(tǒng)設(shè)計。無人機(jī)活塞式汽油發(fā)動機(jī)在最大功率工作位置的振動中，一階的振動頻率是127Hz，已經(jīng)處于高頻的激振源狀態(tài)了，其中占據(jù)比例最大是三階振動頻率，其是379Hz。通過文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，單層的隔振裝置只能有效隔離低頻域振動，但是在高頻域振動合理中，效果并不顯著。例如，衡量隔振效果的運(yùn)動響應(yīng)系數(shù)與絕對傳遞系數(shù)等智能在低頻域振動隔離中利用。這主要是由于動力學(xué)微分方程模型的存在，隔振彈性元件由于其自身質(zhì)量，在高頻運(yùn)行時，會出現(xiàn)駐波反應(yīng)，從而影響隔振性能。但是，隔振材料剛度和頻率之間并不存在關(guān)聯(lián)性，通常情況下，在頻率上升的時候，剛度也會不斷增加，實際頻率比也會按照相同的趨勢逐漸變小。機(jī)體結(jié)構(gòu)并非絕對剛體，受高頻激振作用，難以忽略模型精確性的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響。為保證在高頻激振狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)具有良好的隔振性能，選用雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動機(jī)隔振設(shè)計。雙層隔振系統(tǒng)具體如圖1所示。

雙層隔振系統(tǒng)中已經(jīng)把飛行器機(jī)體作為固定基座進(jìn)行科學(xué)有效處理。而機(jī)體如果是運(yùn)動零部件，需要進(jìn)行處理，這樣一來整個系統(tǒng)便會轉(zhuǎn)變?yōu)槿杂啥饶Ｐ?，這樣一來，勢必會導(dǎo)致后續(xù)推導(dǎo)越來越復(fù)雜。因此，為了方便進(jìn)一步計算與推導(dǎo)，在誤差容許范圍之內(nèi)，把飛行器機(jī)體作為固定基座加以處理，雙層隔振系統(tǒng)則退化成二自由度模型。

從圖可知，對于雙層隔振系統(tǒng)而言，其中出現(xiàn)了兩次共振波峰，也就是阻尼條件相同時，此系統(tǒng)共振振幅相對較大。然而就隔振區(qū)域而言，即大于1.5時，雙層隔振系統(tǒng)的絕對系數(shù)衰減速度卻很快，這就在很大程度上提高了系統(tǒng)的高頻隔振性能。

通過隔振系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)最大功率點時，發(fā)動機(jī)一階激振源頻率為127Hz，頻率比為4.37，絕對傳遞系數(shù)為0.00552，就隔振系統(tǒng)而言，此預(yù)測結(jié)果與性能要求明確相符。

3結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)飛行控制器大部分都是選用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)控制姿態(tài)，外部激振源會逐漸導(dǎo)致慣性測量單元的工作環(huán)境逐漸惡化，對控制的精確性造成直接性影響。對此，應(yīng)針對特定的工況及其需求，進(jìn)行隔振系統(tǒng)科學(xué)合理設(shè)計，降低振動與噪聲成因的負(fù)面影響，進(jìn)而解決發(fā)動機(jī)振動與噪聲。文章根據(jù)實際情況進(jìn)行隔振系統(tǒng)設(shè)計，以控制振動與噪聲，系統(tǒng)具備良好的高頻隔振性能，值得大力推廣與應(yīng)用。