某發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)蓋罩輻射噪聲優(yōu)化的研究

李 凱,王金立,張立慶,王 強(qiáng)

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心,合肥 230601）

0 前言

噪聲已被公認(rèn)為一種重要的環(huán)境污染。國(guó)內(nèi)外都制定了許多有關(guān)噪聲控制的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。人們對(duì)整車(chē)舒適度要求不斷提高，降噪是提高整車(chē)舒適度的方法之一，所以發(fā)動(dòng)機(jī)降噪逐漸被重視起來(lái)[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)罩殼具有薄壁件和大平面的特點(diǎn)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)前方往往是主要的噪聲輻射方向。

某發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，前方是主要的噪聲源。通過(guò)頻譜分析，噪聲源識(shí)別，確定正時(shí)蓋罩共振輻射噪聲是前方主要噪聲源[3]。通過(guò)CAE計(jì)算及分析確定了優(yōu)化方案：

（1）上正時(shí)蓋罩加筋處理，同時(shí)在中間位置增加固定螺栓。

（2）下正時(shí)蓋罩加筋處理。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，正時(shí)罩殼大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)前方和整機(jī)噪聲水平。

1 問(wèn)題描述

試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室里進(jìn)行，臺(tái)架布置如圖1。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、上方和前方各布置一個(gè)麥克風(fēng)，距離發(fā)動(dòng)機(jī)1m。

圖1 臺(tái)架布置圖

發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷加速工況記錄四個(gè)方向的噪聲，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)方向中，發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲最大，較其余三個(gè)方向大3-6dBA左右，占整機(jī)輻射噪聲的50%以上，是主要的噪聲輻射源。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的前方是NVH優(yōu)化優(yōu)先考慮的方向。本文主要是以發(fā)動(dòng)機(jī)前方正時(shí)蓋罩為研究對(duì)象，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降噪。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)方向噪聲

2 問(wèn)題分析

2.1 頻譜分析

發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲頻譜存在兩處明顯的共振噪聲，中心頻率分別為1015Hz、1740Hz。通過(guò)數(shù)字濾波回放，兩處共振噪聲能量均較大，1015Hz頻帶噪聲更加突出，整機(jī)聲品質(zhì)較差。所以必須找出兩處共振噪聲的源頭，才能針對(duì)性的進(jìn)行整改，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降噪。

2.2 噪聲源識(shí)別

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別的方法很多；文中只列舉了近場(chǎng)測(cè)量法，表面振動(dòng)測(cè)量法，基于Beamforming聲源識(shí)別法。

近場(chǎng)測(cè)量法：在發(fā)動(dòng)機(jī)上下正時(shí)蓋板中心位置各布置一個(gè)近場(chǎng)麥克風(fēng)，距離蓋罩的輻射面0.3m。試驗(yàn)表明1015Hz頻帶噪聲主要是由上正時(shí)蓋罩振動(dòng)輻射產(chǎn)生，1740Hz頻帶噪聲主要是由下正時(shí)蓋罩振動(dòng)輻射產(chǎn)生，如圖3。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)上、下正時(shí)蓋罩噪聲colormap圖

表面振動(dòng)測(cè)量法：在發(fā)動(dòng)機(jī)上下正時(shí)蓋板中心位置均布置了振動(dòng)傳感器。從colormap圖上可以看出，上正時(shí)蓋罩上沿著發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸線方向存在1015Hz的結(jié)構(gòu)共振，下正時(shí)蓋罩上存在1740Hz的結(jié)構(gòu)共振。所以可以推斷1015Hz頻帶的噪聲是由發(fā)動(dòng)機(jī)上正時(shí)蓋罩共振輻射產(chǎn)生；1740Hz頻帶噪聲主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)下正時(shí)蓋罩共振輻射產(chǎn)生。

聲源定位測(cè)量法：發(fā)動(dòng)機(jī)前方1015Hz共振噪聲位于發(fā)動(dòng)機(jī)上正時(shí)蓋罩中心處。1740Hz共振噪聲位于發(fā)動(dòng)機(jī)下正時(shí)蓋罩中心的位置通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)蓋罩存在明顯的共振，對(duì)前方噪聲貢獻(xiàn)較大。

3 正時(shí)蓋板有限元建模及模態(tài)分析

首先建立有限元模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)上下正時(shí)蓋罩、部分機(jī)體、部分缸蓋、部分凸輪軸蓋。有限元模型由HyperMesh劃分，網(wǎng)格類型選擇C3D10，計(jì)算采用ABAQUS解算器。

因正時(shí)罩為薄壁件，相比之下機(jī)體剛性很大，為此對(duì)蓋板進(jìn)行約束模態(tài)分析。蓋罩與機(jī)體的結(jié)合面設(shè)定邊界接觸。計(jì)算結(jié)果與上述試驗(yàn)結(jié)果一致，正時(shí)蓋罩的前兩階階模態(tài)頻率為1048Hz、1812Hz，與測(cè)試結(jié)果中的上下蓋板的振動(dòng)頻率相接近，而且振動(dòng)位置吻合，均為正時(shí)蓋罩中間區(qū)域的局部鼓動(dòng)。通過(guò)以上現(xiàn)象分析表明，正時(shí)蓋板在中間區(qū)域缺少固定支撐和加強(qiáng)筋，導(dǎo)致蓋板的局部剛度較低，在外部載荷的激勵(lì)下，容易引起明顯的振動(dòng)響應(yīng)。

設(shè)置設(shè)計(jì)變量為優(yōu)化區(qū)域，響應(yīng)為前兩階固有頻率及體積比，目標(biāo)函數(shù)為體積比最小，約束條件為第1、2階模態(tài)固有頻率。采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析得到初步的優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)優(yōu)化區(qū)域拓?fù)鋱D，結(jié)合零件的加工工藝及裝配約束，對(duì)原始模型進(jìn)行修改得到正時(shí)蓋罩的最終優(yōu)化模型。上正時(shí)蓋板原蓋板的基礎(chǔ)上采用滿布式方形加強(qiáng)筋，同時(shí)在蓋板的中心位置添加了固定螺栓，下正時(shí)蓋罩增加加強(qiáng)筋。CAE分析顯示一階模態(tài)頻率提高到了1698Hz，提高了70%，下蓋罩模態(tài)頻率提高到2000Hz以上，較原正時(shí)蓋板模態(tài)明顯提高。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 單體模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

在正時(shí)蓋罩表面劃分響應(yīng)點(diǎn)，并進(jìn)行標(biāo)記，響應(yīng)點(diǎn)應(yīng)盡量避開(kāi)物體的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在蓋罩外表面依次選取40個(gè)響應(yīng)點(diǎn)，采取移動(dòng)振動(dòng)傳感器，單輸入多輸出的方式進(jìn)行激勵(lì)測(cè)試。由于模態(tài)試驗(yàn)測(cè)的是自由模態(tài)，本次只對(duì)比整改前后7-10階模態(tài)頻率的變化，即正時(shí)蓋罩剛度的變化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，整改件7-10階模態(tài)頻率提高20%以上。

4.2 噪聲振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

將優(yōu)化后的上下正時(shí)蓋罩進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證?？疾靸?yōu)化方案的準(zhǔn)確性及優(yōu)化效果。試驗(yàn)表面，優(yōu)化后的上正時(shí)蓋罩的一階共振頻率為1650Hz，下正時(shí)蓋罩在2000Hz以內(nèi)無(wú)共振，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲平均降低1-2dB（A），四方平均噪聲降低約0.5-1dB（A），有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲大的問(wèn)題，同時(shí)提高了整機(jī)的聲品質(zhì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲大的問(wèn)題，通過(guò)頻譜分析，噪聲源識(shí)別，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲大是由于發(fā)動(dòng)機(jī)前方上下正時(shí)罩殼的共振輻射噪聲造成，結(jié)合CAE優(yōu)化分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，最終發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲平均降低1-2dB（A），發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲降低了0.5-1dB（A）,同時(shí)在其他機(jī)型的開(kāi)發(fā)中也具有借鑒意義。

[1]吳炎亭.內(nèi)燃機(jī)噪聲振動(dòng)與控制[M].北京:機(jī)械出版社,2005:1-64.

[2]陳楠.汽車(chē)振動(dòng)與噪聲控制[M].北京:人民交通出版社.2005:1-30.

[3]龐劍,何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)—理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:178-180.