Analysis and simulation of noise excitations of a four-stroke internal combustion engine timing drive

Abstract

Noise and vibration reduction has become an important topic amongst internal combustion engine manufacturers, which is mainly caused by increasing customer expectations and tightening regulations. In the past, noise reduction of engines has mostly relied on measurements made on physical prototypes. Physical testing is often time-consuming and expensive, which is why simulation has been studied as an alternative or complementary approach for this purpose.

In this thesis, engine gear train noise excitations and their simulation are studied. This is conducted as a case study for a gear noise test rig. Firstly, the noise excitations are studied by performing extensive noise and vibration measurements for the test rig. Secondly, simulation models developed for predicting test rig noise are studied by comparing simulated noise and vibration to measurements. The developed simulation models were two multibody dynamics (MBD) models built with AVL Excite M software and an acoustic simulation model built with Actran VI software. From these models, the multibody dynamics models are in focus.

From the measurements, the most important noise excitations of the test rig were identified. The measurements were performed for three different test rig configurations with different speed conditions. Overall, the meshing frequency of one gear row, the compressing frequency of the air compressor, and their harmonic multiples and sidebands were dominant excitation frequencies. Frequencies related to the oil pump and high-pressure pump could be seen also, but their effect was smaller overall. Frequencies related to camshaft could not be seen easily, but these were often coinciding with other frequencies, making identification difficult. However, the noise increase after adding the camshaft was small. The effect of crankshaft speed on test rig noise was found to be notable, but crankshaft speed variation had only little effect.

The multibody dynamics simulations were performed for two test rig configurations with the same speed condition for both. Acoustic simulation was performed for test rig configuration 2 by using test rig surface velocities obtained from the MBD simulation. The MBD simulation performed on test rig configuration 1 underestimated the vibration level overall. On the other hand, the MBD simulation performed on configuration 2 overestimated the vibration level overall. The acoustic simulation gave similar errors as the MBD simulation. Thus, it is suspected that most error comes from the MBD model. Possible sources of error in the MBD models are discussed.

Melun ja värähtelyn vähentämisestä on tullut tärkeä aihe polttomoottorien valmistajien keskudeessa, mikä on enimmäkseen seurausta kiristyneistä asiakasvaatimuksista ja säädöksistä. Moottorimelun vähentäminen on aiemmin perustunut enimmäkseen mittauksiin, joita on tehty fyysisille prototyypeille. Fyysisten testien toteuttaminen on kuitenkin usein aikaa vievää ja kallista, joten simulointia on tutkittu vaihtoehtoisena tai täydentävänä menetelmänä tähän tarkoitukseen.

Tässä diplomityössä tutkitaan moottorien hammaspyörästöjen meluherätteitä ja niiden simulointia. Työ on toteutettu tapaustutkimuksena eräälle hammaspyörämelutestipenkille. Ensiksi, testipenkin meluherätteitä tutkitaan tekemällä sille laajat melu- ja värähtelymittaukset. Toiseksi, moottorimelun ennustamista varten kehitettyjä simulointimalleja tutkitaan vertaamalla simuloitua melua ja värähtelyä mitattuihin arvoihin. Kehitetyt simulointimallit ovat kaksi ohjelmalla AVL Excite M tehtyä monikappaledynamiikkasimulointimallia ja ohjelmalla Actran VI kehitetty akustiikkasimulointimalli. Näistä malleista monikappaledynamiikkasimulointimallit ovat työn keskiössä.

Mittausten avulla testipenkin tärkeimmät meluherätteet tunnistettiin. Mittaukset toteutettiin kolmelle eri testipenkin kokoonpanolle eri nopeusolosuhteissa. Yleisesti ottaen, yhden hammaspyörärivin ryntötaajuus, kompressorin kompressointitaajuus, ja näiden harmoniset monikerrat sekä sivunauhat olivat tärkeimpiä herätetaajuuksia. Myös öljypumppuun ja korkeapainepumppuun liittyviä taajuuksia oli havaittavissa, mutta näiden vaikutus meluun oli yleisellä tasolla vähemmän merkittävää. Nokka-akseliin liittyviä taajuuksia ei ollut helppo havaita, mutta ne yhtyivät usein muiden herätetaajuuksien kanssa, tehden tunnistamisesta vaikeaa. Nokka-akselin lisäyksestä johtuva melutason nousu oli kuitenkin pientä. Kampiakselin pyörimisnopeudella huomattiin olevan huomattava vaikutus testipenkin tuottamaan meluun, mutta kampiakselin pyörimisnopeuden vaihtelun vaikutus meluun oli pientä.

Monikappaledynamiikkasimulointi toteutettiin kahdelle testipenkin kokoonpanolle käyttäen samaa nopeusolosuhdetta kummallekin. Akustiikkasimulaatio toteutettiin testipenkin kokoonpanolle 2 käyttäen monikappaledynamiikkasimulaatiosta saatuja testipenkin pintanopeuksia. Testipenkin kokoonpanolle 1 toteutettu monikappaledynamiikkasimulaatio aliarvioi testipenkin värähtelytason yleisesti ottaen. Toisaalta, testipenkin kokoonpanolle 2 toteutettu monikappaledynamiikkasimulaatio taas yliarvioi testipenkin värähtelytason yleisesti ottaen. Akustiikkasimulaatio antoi samansuuntaista virhettä kuin monikappaledynamiikkasimulaatio. Täten, suurimpien virheiden epäillään olevan peräisin monikappaledynamiikkasimulaatiosta. Mahdollisia monikappaledynamiikkamallien virhelähteitä on esitetty.