利用不同轴承计算模型预测发动机振动噪声的比较

    0 引 言

    发动机的振动噪声性能是影响发动机产品市场竞争力的重要指标，随着国内汽车市场竞争的日趋激烈，发动机 NVH（noise vibration harshness）性能越来越受到各大汽车厂家的重视。而如何建立准确的发动机动力学模型以及声学预测模型是研究发动机 NVH 性能的重要手段。到目前为止，该领域内的研究已经取得了很多突出的成果，PeraraM S M 建立了发动机的柔性体多体动力学模型，并详细分析了不同摩擦副在整机摩擦损失中所占的比例[1]。Novotny P 以某六缸发动机的振动性能研究为基础，提出了一种新的更高效的分析动力总成振动性能的方法[2]。ZHANG Jun-hong 等采用多体动力学的方法计算了柴油机的振动性能，并初步预测了该发动机的声学性能[3]。贾维新采用虚拟预测的方法对某六缸柴油机的声学性能进行了改进研究[4]。杨陈等对某单缸柴油机的声学性能进行了分析并对其进行了改进设计[5]。李民等研究了不同安装条件下对发动机声学预测模型的影响[6]。

    这些文献在处理机体与曲轴之间相互关系时，均将主轴承视为弹簧阻尼单元。但是由轴承盖、轴承衬套以及润滑油膜等结构组成的曲轴主轴承从理论上讲是典型的流固耦合模型[7]，简单的弹簧阻尼单元不能准确模拟轴承的受力性能。本文以 493ZLQ 柴油机为例，分别建立了带HD（hydro-dynamic）、EHD（elastichydro-dynamic）以及TEHD（thermal elastic hydro-dynamic）轴承计算模型的发动机多体动力学模型；研究了不同轴承模型对发动机动力计算以及噪声预测精度的影响，并提出了用以分析发动机振动噪声问题的高精度仿真模型，以期为发动机减振降噪工作提供参考。

    1 数值建模的基本理论

    无论是HD、EHD 还是TEHD 模型都是基于求解拓展雷诺方程数值计算模型[7]，这3 种模型的主要差别在于如何计算轴承的油膜厚度[8]。轴承在工作时要承受复杂的机械负荷以及热负荷，而这些负荷都会影响到油膜的厚度，进而影响轴承的润滑性能。HD 模型认为油膜厚度只与轴颈相对位置以及轴颈倾斜有关；EHD模型在计算油膜厚度时多考虑了轴承的弹性变形[9]对油膜厚度的影响；TEHD 模型则充分计入了轴承弹性变形和轴承热变形等因素对油膜厚度产生的影响。

    1.1 拓展雷诺方程

    假设润滑油为不可压缩流体，考虑曲轴轴颈倾斜后的拓展雷诺方程可作如公式（1）所示[10-11]；由于该方程相对复杂，通常只能采用数值解法对其进行求解，本文采用有限差分法求解方程中的各项物理量。

    式中，R 为轴承半径，mm；ε 为无量纲离心率，θ为轴瓦最小收敛间隙的角位移，rad；p 为油膜压力，MPa；y 为轴瓦宽度，mm；η 为润滑油动粘度，mPa⋅s；r 为轴承半径间隙，mm；α 为油膜收敛间隙的角速度，rad/s；ω 为轴颈的平均角速度，rad/s。