（动力机械及工程专业论文）单缸四冲程柴油机结构特性分析与机体轻型化设计.pdf

， 管 摘要 ? f 本文介绍了国内外单缸柴油机的发展情况，指出 同类产品的差距，刘我囤单缸机的发展进行了展望， 的应用在提高内燃机产品水乎中的必要性和重要性。 本文首先从发动机的整机振动试验入t - ，对江 与幽外 和方法 生产的 z h l l l 0 柴油机进行了整机振动测试试验，了解它的振动规律和振动大小，为该 机型作为动力装置提供必要的设计数据，为内燃机的振动检测、故障诊断、噪声 分析等研究提供必要的参考依掂，并进步刈其进行了振动烈度评级。 本文从实验研究的角度小发，对z h l l l 0 柴油机机体进行了模态试验分析。 对机体模态试验的些关键因素，如激振方法的选择、激振信号的比较和选择、 测试系统的标定与核准、破测结构的支承、激抓器与传感器的定位与安装等，进 行了很好的选择与确定，从向得到了该机体的蚓有频率、模态振型、模念阻尼等 一些有工程应用价值的试验结果，并且通过机体的模态振型找出了机体的薄弱部 位，为其动态特性的改进提供了依据。 通过对机体激励力的简化处理，合理选择单，七形式、约束条件和边界条件， 用a n s y s 有限元分析软件对z h l l l 0 柴油机机体进行了强度计算，得到了该机 体的应力应变分布，并对计算结果进行了分析，为机体的改进设计提供了进一步 的依据。 f 本文以l 述工作的研究成果为指导，并考虑l ：艺性的要求，在满足机体设计 原m 口( 生产继承性好、配套继承性好等) 的h u 提卜，依据等5 虽度原n j ( j - z h l l l 0 柴油机机体结构进行了轻型化设计，并对改进的机体进行了强度校核，验证了缸 体结构修改方案的合理性。f ， 关键词：柴油机；现代设计理论刍；振动烈度；模念试验；有限兀分析 轻璎化设计 丕鲨叁兰塑! 业壅兰! 些堡兰 一 a b s t r a c t ，i 、h i st h e s i sd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fs i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n e si nh o m e a n da b r o a d ，i n d i c a t e ss o m ed i s p a r i t i e so ft h es a m ep r o d u c t sa n dh a sar e a s o n a b l ev i s t a f o rt h ef u t u r eo fo u rc o u n t r y ss i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n e s i nt h em e a n w h i l e ，i ti s i n d i c a t e dt h a tt h em o d e r nd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o dp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h e i m p r o v e m e n t o f t h ee n g i n e so v e r a l lp e r f o r n l a n c et h em a i np o i n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y t h i st h e s i sc o n d u c t st h ee x t e r i o rv i b r a t i o ne x p e r i m e n to nz h 1110d i e s e l e n g i n ed e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yj i a n g d o n gg r o u pc o r p o r a t i o no fj i a n g s up r o v i n c e i nt h i se x p e r i m e n tt h ev i b r a t i o nr u l eo ft h i se n g i n ej sf o u n do u ts oa st op r o v i d et h e n e c e s s a r yd e s i g nd a t af o rt h i sd y n a m i cd e v i c em e a n w h i l e ，b yi d e n t i f y i n gt h em o s t d a n g e r o u sw o r ks t a t u s ，f r e q u e n c y a n de n g i n eb l o c kp o s i t i o n ，t h ea c q u i r e dr e s u l t s p r o v i d e sa ne x p e r i m e n t a lb a s i sf o r t h er e s e a r c ho i lt h ee n g i n e sv i b r a t i o ne x a m i n a t i o n ， f a u l d i a g n o s i s n o i s ea n a l y s i s a n ds of o r t h f u r t h e r , t h ee x p e r i m e n t0 1 1v i b r a t i o n i n t e n s i t yo f z h11l0d i e s e le n g i n ei sc a r r i e do u tt oe v a l u a t ei t so v e r a l lp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , t h ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ( e m a ) i sc o n d u c t e di nt h i st h e s i st o d e t e r m i n es o m ep a r a m e t e r sr e l a t e dt oi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s u c h a st h en a t u r a l f i - e q u e n c i e s m o d a ls h a p e sa n d m o d a l d a m p i n g o ft h i se n g i n eb l o c k b e s i d e s b a s e do n t h ea c q u i r e dv i b r a t i o nm o d e l t h ew e a kp o s i t i o n so nt h i sb l o c ka r ei d e n t i l i e df o rt h e i m p r o v e m e n to fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h i se n g i n eb l o c k a d d i t i o n a l l y i no r d e rt o a c q u i r et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa c c u r a t e l y s o m ei m p o r t a n tp r o b l e m si n c l u d e di nt h i s e x p e r i m e n ts u c ha st h ec h o i c eo f e x c i t a t i o nm e t h o d s ，c o m p a r i n go fe x c i t a t i o ns i g n a l s ， d e m a r c a t i n go fm e a s u r es y s t e m ，s t r u c t u r es u p p o r t s ，s e n s o ri n s t a l l a t i o na n ds oo n 、 s h o u l db eg i v e nc a r e f u lc o n s i d e r a t i o n s t h i r d l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ei n t e n s i t yo f z h11 10d i e s e l e n g i n eb l o c k t om a k et h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm o r ef e a s i b l e a n d r e a s o n a b l e ，t h ee x c i t a t i o np o w e r sw i l lb es i m p l i f i e da n ds o m ef a c t o r ss u c ha se l e m e n t f o r i l l s r e s t r i c t i n g a n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw i l lb ed e t e r m i n e de x a c t l yb a s e do i la l l t h i sw o r k 、t h ei n t e n s i t yo ft h i se n g i n eb l o c ki sc a l c u l a t e db yt h es o f t w a r ea n s y ss o a st oo b t a i nt h ec o r r e s p o n d i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o n ，a n dt h e nt h ea c q u i r e dr e s u l t sa r e f i l n b e ra n a l y z e d w h i c hf u r t h e rp r o v i d et h eb a s i sf o rt h em o d i f i c a t i o nd e s i g no ft i f f s e n g i n eb l o c k b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la n a l y s e sa b o v e ，t h i st h e s i sc o n d u c t s f h el i g h t d u t yd e s i g no f z h l l l 0d i e s e le n g i n eb l o c ka c c o r d i n gt ot h ee q u a l i n t e n s i t y a n db l o c kd e s i g np r i n c i p l e s e v e n t u a l l y t h ef e mi sr e a p p l i e dt oe x a m i n et h ei n t e n s i t y o ft h em o d i f i e de n g i n eb l o c ka n dt h e n 、e r i l 3 t h e 1 a t i o n a l i t y o ft h i sm o d i f i c a t i o n 盔鲨叁竺塑! ：型! ! 竺兰些堡兰一一 s c h e m e 。 k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；m o d e r nd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d ；v i b r a t i o ni n t e n s i t y e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；l i g h t d u t yd e s i g n 天津大学硕l ：研究生毕业论史 第一章绪论 1 1 单缸柴油机的发展概况 我国农用动力中除副业加工、部分农用泵及少数其他固定式用途使用电动机 驱动外，多数用途均以内燃机为动力，其中主要是中小型柴油机。1 9 9 9 年我国 共生产了6 2 3 万台大中型拖拉机、5 6 万台小型拖拉机、2 6 7 9 万辆三轮农用运 输车、2 1 万辆四轮农用运输车、3 3 万台自走式联合收割机、2 5 力台挂机挂桨， 主要以中小柴油机为配套动力，此外在3 0 0 多万台农用泵中约有4 0 多万台为中 小柴油机驱动，在1 3 4 万台机动植保机械中也有一部分担架式产品为小柴油机 驱动。以上所用的柴油机中，以单缸柴油机所占数量最大。1 9 9 2 年我国单缸柴 油机产量已达4 0 0 多万台，成为世界上生产单缸柴油机最多的国家。从产品结构 看，单缸柴油机缸径从6 0 m m 到1 2 5 n u n 、蒸本上每隔5 m m 为一档都有产品，其 中小缸径以风冷机型为主，但缸径8 0 m m 以上风冷机型都没有形成气候。都是以 卧式水冷机型为主。近年来单缸柴油机直喷机型逐年增加。越来越受农民欢迎。 由于受市场经济、价值规律的指导，国外单缸柴油机，日本以水冷式为主， 欧洲以立式风冷为主，如惫大利、德国单缸机以风冷为主。与多缸机相比较，单 缸柴油机品种、产量要少得多。美国等发达国家基本上不生产单缸柴油机，主要 原因是单缸机是劳动密集型产业，难以满足噪声、振动法规的要求。日本在1 9 5 5 年前后率先批量生产了卧式水冷单缸柴油机。6 0 一7 0 年代曾进入全盛时代，羁 前年产量维持在3 0 万台左右。水冷枫转速低于3 0 0 0 r m i n ，j x l 冷机转速3 0 0 0 - - - - 3 6 0 0 r r a i n 之间。 表1 1 、1 2 反映了近年来我国单缸柴油机年产量。 缸1 9 9 4 篮同比 1 9 9 5 年阅比1 9 9 6 短同比1 9 9 7 盆同比 径产量占增长产量占增长产量占总增长产量占增长 m m 7 亏总脱| 页总 脱 | 页量 | 页 总 脱 量口量台m 台量 脱肋 6 58 8 1 81 8 91 1 11 s2 6 11 1 s1 63 61 3o 2 01 3 o 7 01 3 22 73 4 7 2 5 13 59 0 1 22 3 93 44 g1 4 32 24 0 2 7 55 2 7l o 63 7 67 9 6 l l os 1 o# 8 41 2 61 1 16 1 69 43 0 3 g o2 7 25 61 9 7 85 s 5 7 7 l 4锨 8 gl | | 54 7 57 32 3 1 8 51 4 52 92 2 2 2l s 22 14 s2 6 1 3 77 1 72 9 。24 31 1 9 9 00 9o 28 0 01 4 o 25 5 61 8o 32 8 62 7o 45 0 0 9 52 5 6 75 1 73 1 43 2 3 7 4 4 82 6 12 27 - 32 9 881 4 5 22 1 33 6 1 1 0 06 4 91 3 13 1 11 0 3 71 4 35 9 。81 2 0 31 7 11 6 01 5 9 1 2 3 33 2 3 1 0 53 6 27 33 3 66 6 29 28 2 9g o 21 1 |2 1 18 9 1 1 3 11 1 1 1 1 07 61 55 8 31 9 02 61 5 0 o3 8 35 41 0 1 65 9 88 85 6 1 1 1 50 30 0 4 1 io 2 霸两。，3 7 0 52 3 6 1 。 ：、i 警燮訾嚣塞 、 、 。 囊 。 - l - ， 、 “t ， 文糍键辩燃鬻鼯| 。 天津大学颂 ：研究生毕业论文 企1 9 9 3 缸1 9 9 4 缸 1 9 9 5 年1 9 9 6 矩1 9 9 7 正 业 产量增长 名产量增长名产量增长名产量增长名产量增长名 名| 页m次万次黾 次 勇次 万次 称口 常5 0 3 61 9 916 2 8 02 4 711 2 2 o9 4 311 5 0 o2 3 o11 5 5 03 3l 柴 江2 0 0 0o 242 8 9 04 4 553 2 6 51 3 o53 7 o1 3 345 1 8 4 0 02 淮 武2 5 0 51 5 433 5 0 43 9 935 2 3 64 9 425 2 8 30 935 1 7 82 o3 进 全1 4 9 74 1 1 62 8 o l8 8 4 64 4 2 85 8 135 2 9 91 9 724 5 6 01 3 94 椒 莱1 6 0 43 5 454 0 9 81 5 5 522 6 0 43 6 563 2 4 02 4 452 7 0 41 6 55 动 扬1 3 4 23 1 7 71 6 9 02 5 972 1 12 4 9l o 1 6 5 8- 2 1 41 22 5 85 5 66 动 金8 2 62 1 4】l1 1 2 23 5 81 21 8 o6 0 4i l2 0 81 5 6i o2 3 71 3 97 出 金2 6 03 6 65 0 0 9 2 1 31 0 o ll o o 2 1 91 8 o7 9 81 12 2 82 6 78 坛 广8 0 13 8 81 31 2 7 05 8 6l o2 1 2 86 7 692 3 0 78 482 0 1 71 2 69 济 川l o 0 03 0 691 5 6 45 6 482 5 4 26 2 572 4 82 472 0 1 31 8 8i o 内 无2 7 51 7 023 4 5 22 5 543 9 2 01 0 742 7 o2 9 362 0 02 5 91 l 锡 我国的大部分单缸机型是从日本引进并加以改造的结果。从上面表格反映的 情况，每年的产量呈现递增趋势。然而，现在大家都在思考：一味追求产量已行 不通了，由于技术、工艺上的差距，产品质量相对于日本的产品有着很大的差距。 从蹩机体积、质量、外观、比功率以及能耗污染等指标来看都有很大的差距。例 如，国产大多数机型重量较日本产品高1 7 3 5 ；可靠性与寿命均差，仅相 当于日本产品的l 2 至1 3 ；在噪声、振动、烟度、外观、密封性等方面也存 在明显差距；参照国外的发展过程来看，我国单缸柴油机也将随着国民经济特别 是农村经济的发展而进一步发展提高，直喷化、轻董化、多缸化和适当强化属发 展方向。 我国中小型农用单缸柴油机的年生产能力在1 9 9 7 年已达1 1 0 0 万台以上。而 社会需求约为5 5 0 - - 6 0 0 万台。在这种较为激烈的竞争下单缸柴油机的性能和 质量也有不同程度的提高，柴油机的实用性提高了，价格降低了，但可靠性、先 进性并没提高多少，就整体而言，近年由于价格竞争，质量还有所下降。除了动 力性、经济性外，可靠性、噪声、振动、排放等指标差距更大，配套性能差，这 些方面都是我国生产小缸径单缸柴油机的企业必须引起足够重视并全力加以解 决的问题。 ，0 。参磐、警 蓬萋攒强? 一二一 鲻戳滋糊避麟 天津大学硕士研究生毕业论文 1 2 现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用 内燃机已有上百年的历史，但还在不断发展之中。近年来由于市场竞争激烈， 许多企业力图通过提高转速和增压等措施来提高内燃机的动力指标，改善经济性 和排放。这便要求内燃机制造厂以自己的技术积累和国内外先进技术来提高本厂 的设计、制造水平。由于市场竞争剧烈，要不断有新产品问世，产品开发周期应 该缩短，以满足市场需求。例如，国外汽车业普遍将开发周期由5 年缩短为3 年， 但同时，为了提高质量、降低成本，需做大量的试验、分析和数据处理，需要增 加设计工作量。解决这对矛盾的办法便是采用先进技术和工具，将重点放在先期 设计阶段，大量应用现代设计理论和方法。 内燃机设计是创造性的满足内燃机功能要求技术系统的活动过程。内燃机设 计是影响产品性能、质量、成本和企业经济效益的一项重要工作。内燃机能否满 足用户要求，在很大程度上取决于产品设计工作。因此，要提高内燃机产品的水 平，设计是重要环节。传统设计方法的特点是：静态的、经验的、手工式的方法。 现代设计方法的特点是：动态的、科学的、计算机化的。可以这样说：传统设计 方法是被动地重复分析产品的性能，而现代设计方法则可能做到主动设计产品的 参数。现代内燃机设计的重点应放在综合应用现代设计理论和方法，将复杂的内 燃机工程问题建立物理、数学模型。通过在计算机上进行分析、模拟工程实际状 况，以在设计阶段就将内燃机产品的性能和结构构思以及未来产品的品质确定下 来，提供给设计师，作为产品发展的决策依据。现代设计理论和方法中的有限元 分析技术、疲劳可靠性技术、优化设计以及计算机辅助设计( c a d ) 技术等分支 在内燃机设计上已经有了不同程度的应用。随着计算机的普及和软、硬件的发展， 特别是图形软件的二次开发，增加了符合国家标准的数据库和图形库。目前，国 外图形软件已从单纯的结构设计，发展到参数设计或变量设计，从二维设计发展 到了三维设计。如大型c a d 软件p r o 甩、u o 等的广泛应用。例如，在内燃机机 体设计中，在建立新结构的机体模型时需花费较多的时间，大部分的设计时间是 用在原机体基础上进行不断的调整和修改，利用3 dc a d 技术可大大提高设计效 率，机体的三维实体模型不但可以对机体进行静力学和动力学分析计算，而且可 以方便地转化为二维工程图，也就是说如果对实体模型作了修改，工程图也会发 生相应的转变，因此大大减少了工作量。而且，一旦有了初步设计方案，就可进 行有限元分析，为设计方案的选择和结构的修改提供依据和理论检验，实现机体 的等强度设计。现代设计理论和方法将与计算机应用技术共同走进内燃机产品设 计之中，成为设计师不可缺少的助手。 在内燃机零件设计中，机体设计是最难的零件之一。因为它的结构复杂，包 括气缸体、曲轴箱和支撑底座( 或油底壳) 。它是一个内部有很多隔板的复杂箱 形壳体结构，其上装有发动机的气缸盖、曲轴连杆机构、所有的附件和附件传动 机构，在此结构基础上按照其强度和刚废的要求布置了各种加强筋，并且各种运 动件的润滑、受热件的冷却和发动机的固定安装也都通过机体来实现。而且，机 体在内燃机运转时承受很复杂的负荷：各缸内气体对气缸盖底面和气缸表面的均 布气体压力，经活塞作用于各气缸壁的侧压力，经曲轴加在各主轴承上的力，支 架对内燃机的支承反力和反力矩。这些力的大小、方向随工况和曲轴转角不断变 化，有些力的作用点也在不断变化。此外，即使在内燃机不运转时，各气缸盖螺 栓、主轴承螺栓也使被紧固部分受力。以上各种力和力矩使各部分受到交变的拉 _ _2x ，、爨 藩文o ，c 一1j 鬟+ h ，、，。鼍嚣鼍7 。 ，i 女。黔。? 。3 - ， ，。盛；菇囊。撼熬。， 祜戳# nl 0 诳甜j 嘶* ， 拙嘶”，$ s # 一 天津大学硕士研究生毕业论文 压弯扭，产生复杂的应力状态。因为机体的质量要占内燃机总质量的1 4 左右， 而制造成本约占总成本的l 1 0 ，机体的设计要特别注意减轻其质量和改善铸造和 加工工艺性，挖掘降低成本的一切潜力。由于机体是一个复杂的空间结构，必须 细致地进行结构细节设计，以优化材料的利用。在这晕，三维有限元结构分析( 有 时哪怕只是针对某一重要的局部结构) 和试验应力分析，有助于找出机体中的薄 弱环节和冗余环节，以便采取适当的修改措施。由于机体结构和作用载荷很复杂， 在6 0 年代以前根本不可能对其进行比较详尽的计算分析，只有在实物造出来后 用实验方法进行研究。电子计算机的普及和现代数值计算方法的出现使机体的结 构分析在设计阶段成为可能。从7 0 年代末开始，我国几种机车柴油机机体先后 都采用有限元计算，探清了应力和变形的分布规律，为设计提供依据取得了很好 的效果。 机体的设计要求： ( 1 ) 机体要有足够的刚度，以保证零部件的正确几何形状和零部件之间的正确 配合关系。增加刚度的主要方法是使金属分布更合理；适应机体各部位受 力状况，尽可能增加机体受力和承受弯矩部位的抗拉、抗弯断面系数。同 时，要求在设计机体的具体结构时，尽量避免使机体承受附加弯矩。 ( 2 ) 组织好机体的冷却。一方面减少机体各部位的热应力，另一方面应控制机 体温度在一定的许可值内。应尽量避免采用相邻气缸无水套夹层的结构， 这种结构会因冷却不均匀造成气缸变形。= = ( 3 ) 减少质量。机体的外廓尺寸应该紧凑，除了合理地设计结构，充分发挥金 属材料的抗变形的作用外，在工艺上采用5 m m 的薄壁铸件可以减少机体 质量。柴油机机体约占整机质量的4 0 左右，因此降低机体质量对降低整 机质量影响很大。用减薄结构壁厚的办法减少机体质量是有限的，而减少 机体外形尺寸可使机体的质纛显著减少。对机体外型尺寸影响较大的参数 有缸心距k 、s r ) 、连杆长度l 和活塞高度等。 ( 4 ) 气缸应该耐磨、耐腐蚀、耐穴蚀，有较高的使用寿命。 ( 5 ) 要贯彻国家的三化政策，即系列化、通用化和标准化政策，便于制造和维 修。 ( 6 ) 机体各部接逢处应该严密，防止漏水、漏气和漏润滑油。 主要设计原则： ( 1 ) 生产继承性好机体要和厂里的老产品能共线生产，尽量减少投资、降低 成本，加快新产品的开发速度，提高新产品在市场上的竞争能力。因此， 机体上6 个气缸盖螺栓孔的坐标尺寸及轮系的坐标尺寸均应保持不变，以 保证共线生产。前主轴承孔根据主轴承的外径进行调整，机体前端面冷却 水孔的大小及位置根据气缸盖上冷却水孔的布置做相应的调整。 ( 2 ) 配套继承性好配套连接尺寸及功率输出方式与厂壁老产品相同，外形尺 寸尽量接近原柴油机，便于与现有市场的配套网络衔接。 ( 3 ) 指标先进，可靠性好尽 t 采用国内较成熟的新技术、新材料、新工艺， 保证柴油机可靠性好，各项性能指标达到国内同类机型的先进水平。 1 3z h i l l 0 柴油机机体轻型化设计的意义 随着世界内燃机工业的迅猛发展，行业内竞争也日趋激烈，广大厂商为了提 高产品质量、降低成本，进而提高产品的市场竞争力，对产品的科技含量的增加 纛滋警秘筏鬻i 霉潆 熬湖黻黧蠡涵娥纛：鬻黪 天津大学硕士研究生毕业论史 都不遗余力。其中在保证或改善发动机整体性能与质量的前提下，对一些机型进 行轻量化设计在一定的条件下可以满足这种需要。 江苏江动集团有限公司是国家专业生产中、小功率柴油机的重点企业。从一 个名不见经传的地方小厂，发展成为江苏省机械工业骨干企业、全国5 0 0 家最大 工业企业和全国1 0 0 家最大机械工业企业之一。享有全国小柴行业“四大家庭” 之一的美誉，其中生产的z h l l l o 柴油机在众多小柴产品中独树一帜，遐迩闻名， 成为全国知名品牌。z h l l l o 柴油机是江动集团有限公司自主开发的新型单缸卧 式直喷式柴油机，标定功率1 3 2 4 k w 2 2 0 0 r a i n ，燃油耗2 3 8 9 k w h ，功率大、 耗油少、易起动、安装方便，广泛应用于小四轮拖拉机、机耕船、工程机械、小 型运输车辆、发电机组等动力，亦适用于农用排灌及各种农副加工。其主要技术 参数如下： 型号：z h l l l 0 型式：卧式四冲程 燃烧方式：直喷式 缸径+ 行程( 毫米) ：1 1 0 1 1 5 活塞排量( 升) ： 1 0 9 3 压缩比；1 7 ：l 输出功率( 千瓦，转分) ： 1 4 7 2 2 0 0 冷却方式：蒸发、散热器 润滑方式：压力飞溅 起动方式：手摇、电起动 净质量( 千克) ：1 8 0 外形尺寸( 长宽+ 高) ( 毫米) ：9 3 0 * 4 6 0 * 7 6 0 z h l l l 0 柴油机在国内、外市场深受广大客户的欢迎，其轻量化设计意义重 大：( 1 ) 提高经济性。柴油机的减重会直接导致机械支撑装置的减重，进而导致 机械整体的重量的降低，从而使经济性得以改善。据测算，整车熏量每减少l ， 油耗可降低0 6 - , 1 0 。( 2 ) 可减少发动机的捧放量。由于整机质量的降低，对发 动机排量的要求会降低，减小了排放污染。( 3 ) 可改善其操纵稳定性，改善转向、 制动、加速等运动性能。( 4 ) 通过减重，可以减小运动件的惯性，使内燃机的噪 声和振动得到改善。( 5 ) 同时。通过对发动机进行整体改进设计，提高产品总体 质量水平，节省材料，降低生产成本。 1 4 本论文的研究目的和主要内容 本文的研究目标：对z h i l l o 型柴油机机体进行轻型化设计，使改进的机体 重量减轻2 公斤以上。结构设计合理。工艺性好；机体的动态特性有明显改善， 整机在额定功率提高2 0 * * 后仍然工作安全可靠。 主要内容如下： z h i i i o 型柴油机在各种工况下的整机振动试验研究 测出发动机机体各特征点在不同工况下的振动速度，以各测点振动速度均方 根值的均值作为振动能量的评价指标，对发动机振动状况进行分析比较；指出危 害最大的工况、频率成分和相应的机体部位。同时测量整机的振动烈度。 z h u l o 型柴油机机体振动模态试验研究 ；! | 篓鬻篷二甍：| 一、：；鬻i 瓣隧蠡、羹自缝镕爨黉巍麓錾i 浚魏j 秘：。甍。 i2 i 荦 天津大学硕士研究生毕业论文 通过机体的模态试验分析，可以识别出机体的模态参数( 如固有频率、固有 振型等) ，进而了解机体的动态特性，有助于分析振动和噪声特性。同时，利用 试验结果不仅可以验证有限元计算结果的合理性，还可以对有限元模型进行修 正，从而为机体的设计改进提供可靠的依据。 z h i l l o 型柴油机机体强度有限元分析 首先建立机体强度有限元计算的大型有限元模型，并针对z h l l l o 柴油机机 体的实际工作情况施加载荷条件和边界约束条件。经有限元分析得出机体各个部 位的应力分布状况，为机体的轻型化设计提供必要的理论基础。 z h l l l 0 型柴油机机体的结构修改 根据有限元计算分析和试验模态分析，得出机体的强度、振动等特性以及机 体结构的薄弱环节，在此基础上对机体进行改进设计，提出改进设计方案。然后 对改进设计后的机体重新建模分析进行强度校核，达到轻型化设计的目的。 她 天津大学碗l 研究生毕业论文 第二章振动模态试验分析和有限元分 析的基础理论 2 1 引言 内燃机产品的设计，改型都应进行静态计算及动态分析。目前，常用的且行 之有效的方法有：有限元计算分析和试验模态分析。这两种方法的有机结合是复 杂结构动态特性分析的主要手段，也是内燃机结构现代设计理论和方法中不可缺 少的重要工具。它们的共同特点是以解决工程实际问题为总目标，分析结果可以 互相补充，互相印证。应用这两种方法可了解产品的强度、振动、噪声、疲劳等 特性以及产品结构的薄弱环节，从而为产品的设计改进提供可靠的依据。本章首 先简述了振动模态试验分析和有限元计算方法的数学理论，然后利用这两种方法 对z h l l l o 型柴油机机体进行分析，为该机体的轻量化设计提供了可靠的依据。 2 2 振动模态试验技术理论基础 2 2 1 试验模态分析简介 试验模态分析( e m a ) 又称模态分析的试验过程，是一种参数识别的方法。 首先，实验测得的激励和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得频响函数 ( 传递函数) 或脉冲响应函数，得到系统的非参数模型；其次，运用参数识别的 方法，求得系统模态参数；最后，如果有必要，进一步确定系统的物理参数。因 模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量( 或称特征振型、模态振型) 。 试验模态分析的具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测 量激振力与振动响应，找出激励点与各个测点之间的传递函数，建立传递函数矩 阵，用模态分析理论通过对试验传递函数的曲线拟合，识别出结构的模态参数， 从而建立起结构的模态模型。 2 2 2 基本理论 ( 1 ) 传递函数分析 实际的构件是弹性体，具有连续分布的质量与弹性。确定这无限多质点的位 置需要无限多个坐标。因此这是一个无限多自由度系统。为研究方便，可将构 佳离散成有限多个互相弹性连续的刚体，变为有限多自由度系统，当满足定常线 ：，匠苏统的要求时，其系统的数学模型可用下列方程式表示： 夕7 7 【m 】 x ( ，) + 足】 x ( ，) + ，【d 】 x ( ，) = 厂( r ) ) ( 2 1 ) 、，! 然薅i i 。， z + 1 j 天津大学硕士研究生毕业论义 式中：( f ) 为作用力向量， 戈( f ) 、 x ( ，) ) 分别为加速度向量和位移向量， m 】、 【k 】、 d 】分别为质量、刚度、和阻尼矩阵，【d 】_ g 】【k 】，【g 】称为结构损耗因 子矩阵，( 1 + _ ，( g 】) 【k 】称为复刚度矩阵。结构阻尼与位移成正比，其相对超前位 移9 0 。，在很宽的频率范围内为常量。设系统的自由度为n ，则上述向量均为n 维向量，上述矩阵均为n x n 方阵。 经拉普拉斯变换，( 2 1 ) 式变为： b 2 阻】+ + ，【d 】似g ) ) = 护o ) ( 2 2 ) 其中，s 为拉氏变量，分别为的拉氏变换。令： 陋o ) 】= b 2 阻】+ k 】+ ，【d i = s 2 阻】+ ( 1 + ，【g 耻】 b 称为系统矩阵。 传递函数矩阵定义为系统矩阵的逆矩阵： 田0 ) - - 陋g ) 】。1 ( 2 3 ) 则方程( 2 3 ) 可改写为： x 0 ) - - 陋刚驴g ) ( 2 4 ) rh ( s ) 是n n 阶方阵，其中的每一个元素都是一个传递函数： 阻刚= h 。g ) h ：g ) q ，0 ) h i 。s ) 风。g ) 以：g ) 以，g ) 峨。o ) ；i 以o ) 域：o ) 巩，g ) 巩。g ) ( 2 5 ) 其中，h 。f ( s ) 是传递函数矩阵中第e 行第f 列元素，参考( 2 5 ) 式可以知道， 它表示在第f 个自由度上单位力作用下第i 个自由度上的位移响应。 当s = j 时，h e f 称为频响函数。可以证明，频响函数矩阵包含了所有模态 参量的信息。 在方程式( 2 2 ) 中，令s i 油，得到： 【_ 2 m 】+ k 】+ _ ，f d l i 似【，) = 扩( ，甜) ( 2 _ 6 ) 其齐次方程具有n 个特征值和n 组特征向量( 即振型向量) 渺， ，r = l ，2 ， r l 。振型向量具有如下正交性： 妙r ) 7 【m 】妒， - o m ，譬二舅 c z m ，v 。s j 一， ， “+ ：，。0 ，；川 。一。：f 一 ”1 4 。 | 。jj| 瓤。$ j 辫够。 ， _ 蕾。， 甏燃繇滋麓麓潮滋醚燃女赫照：& 袅 天津大学硕士研究生毕业论文 舻， 7 i i t ： 十，【。日舻，) = ：，+ ( 1 + g ，) g ! ：； c z s ， 其中m ，为模态质量，k r 为模态刚度，昏为模态阻尼因子，令h ，= k r g r 为模态阻尼。 当位移表示为振型向量的线性组合时，可以得到： 咖) = q ，舻， ( 2 9 ) 将( 2 9 ) 式代入( 2 6 ) 式，左乘渺 7 。并利用j 下交性( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式，得 到解耦方程： q ，k ，0 + j g ，) 一2 m ，】- 舻，) 7 f ( ，) ( 2 1 0 ) 由( 2 1 0 ) 式解出q 代入( 2 9 ) 式z 1 4 ： 酬2 喜蹦 他 其中q ：生，q ，无阻尼固有频率。将式( 2 1 1 ) 改写为如下形式： 聊 x b ) ) = 善n 砰裂黼t 硼洮) 1 2 可再面丽习埘，b 2 + q ；( 1 + 庸1 ) j + 妒l y 2 ： 帆 眇l 。 y 2 ： 妒m 孵 怄 h 圳孕 + 鬟h豢魏12)h hh 。o ) 。：( ，缈) 日吖o ) 。( ，) i 1 ：2 ( 2 。( ，)。：( ，国) 。，( ，) 。( ，国) l r 叫 。濂 口*；。馥；嚣鍪 天津人学硕i 二研究生毕业论史 = 【h ( j c o ) f ( j 0 9 ) ) ( 2 1 3 ) 2 渊 泣 k。， 2 备习i 再虿网 由上式可以看出，式中分母与激振点自由度序号，和拾振点自由度序号e 无 关，求固有频率和阻尼因子，用任意一个频响函数就可以了；求振型向量，则至 少需要频响函数矩阵中的一行或一列元素，由( 2 1 2 ) 式可以看出，采用单点激 振，逐点拾振的方法可以获得一列频响函数；采用逐点激振，单点拾振的方法可 以获得一行频响函数。 ( 2 ) 模态参数识别 首先。将其传递函数的数学模型用多项式形式表示 o ) _ 篙崭 眩 其中，d e ，2 , n 一2 ) 为s 的2 n - 2 阶多项式，它与激振点和响应点的自由度有关。 各传递函数具有公共的分母：d e t b ( s ) ，它为s 的2 n 阶多项式。 令d e t 陋o ) 】= o ，得到它的2 n 个根p r ，于是传递函数可以写为部分分式和的 形式： 日矿喜尚+ 尚。兰, - - n 卫s - - p , 晓 其中，勺，是第r 个极点p r 所对应的留数。因此，传递函数矩阵也可以表示 为部分分式和的形式： 旧g ) 】：窆旦+ 丝：兰且 ， 其中。【o 】是第r 个极点只所对应的留数矩阵。 可以证明：k 】_ 4 n j 桫，y ，o = 爿，y ， 其中，a ，为比例常数，为了推导方便，令以，= l ，一= r , e j ，将p ，与 写成共 p ，= 一盯，+ ，p ：= 一仃，一j c o ， 蠢一燧 天津火学硕士研究生毕业论文 r = ，+ 见，= ，一j r , ， u ，为有阻尼固有频率，o ，为阻尼系数，无阻尼固有频率q = 甜：+ 盯： 复模态单自由度曲线拟合方法，适用于模态分布较稀疏的情况。当n 在u ， 附近变化时，近似地认为传递函数主要由第r 阶模态参数来确定，因此有： ， r u e h ，o ) 2 翻一硐t r q 模态参数识别分为三步： 第一步，通过曲线拟合求出u ，和o ，。 u ，和o ，是对一个典型的频响函数进行曲线拟合得到的。作为曲线拟合得到 数学模型，将( 2 1 8 ) 式改写为如下形式( 为书写方便略去脚标： g ) = 筹粉 拟合时，在c 0 ，左右取n 个数据点 对应的频响函数值为hk ，拟合曲线h 拟合区间内各数据点对应的频率值为， ( j 壬【) 与测量数据hk 的方差为： e ：妻i 。一日( ，国七】2 为使方差最，j 、，利用极值条件：要：o ，兰：o ，要：o ，要：0 ， d 国，0 0 ，d ，d ， 形成联立方程，求解嘶，0 ，。r ， 第二步，通过曲线拟合求出留数r e 疗。 留数是对一组频响的数进行曲线拟舍得到的，考虑到邻近模态的影响，在曲 线拟合中增加了一个常数项a 。和一个一次项a 。k ，a 。和a 。为常数，其数学模 型为： 日。国) 2 二：丢；雩笔s ：善鞴+ 彳t + 爿。一k + 2 j ar k 七o ：+ ： 仍然采用最小二乘法进行曲线拟合，和o ，为已知常数，求解，。，。a 。和 a 。因为考虑了邻近模态的影响，此时求出的留数比第次求出的更精确。 第三步，通过分拣留数求出振型 甲， 、模态质量、模态刚度、模态阻尼。 根据留数与振型的关系， k 】= 以触y ，= 帆，当e = f ，即 激振点与响应点相同( 称为驱动点) 驱动点的振型分量首先求出：y 。，= o ， 当e c f 时，称为跨点跨点的振型分量为：y 。 由上述计算可以看出，要从留数中分拣振型，至少需要一个驱动点留数。留 互厄 = 笪 = 天津大学顿：k 研究生毕业论文 数分拣能够利用留数矩阵的一行或一列完整的振型。 当模态较稀疏，阻尼较小时，s 在如附近变化，可有如下近似表达式 h 。，g ) = 上2 j ( s - p , ) = 丽a i , g j g , 丽 州2 三n 尚 令上面两式中s = j o d ，0 ) = 嘶，并考虑到q 0 r ，得到： 兰：坠笙! ：竖 2 j o ，j k g ， 其中，衰减系数o ，与粘性阻尼系数的关系为：仃：一 由等效阻尼理论k r g r - c 柚，因此有：彳：上 m ， 模态腮m = 去t 蝴憾忙q 。，= 警2 2 ， 模态阻尼：c