某汽油機(jī)正時(shí)罩蓋NVH優(yōu)化及分析

趙衛(wèi)平　張衛(wèi)國(guó)　吳　超　于　超　張　明　魏永強(qiáng)　周　碩（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

某汽油機(jī)正時(shí)罩蓋NVH優(yōu)化及分析

趙衛(wèi)平1，2張衛(wèi)國(guó)1，2吳超1，2于超1，2張明1，2魏永強(qiáng)1，2周碩1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

通過(guò)有限元法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用正時(shí)罩蓋的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，獲得了正時(shí)罩蓋的模態(tài)頻率及振型，根據(jù)分析結(jié)果制作了多種方案對(duì)正時(shí)罩蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的正時(shí)罩蓋進(jìn)行了模態(tài)分析，得出最終的最優(yōu)方案，模態(tài)分析結(jié)果表明：改進(jìn)后的正時(shí)罩蓋第一階模態(tài)頻率提高了51.5%，且在3000Hz內(nèi)的階數(shù)減少了2階。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比表明：在正時(shí)罩蓋優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)在1m處聲壓級(jí)均值由原來(lái)的96.3dB（A）減小到95.3dB（A），降低了1dB（A），降噪效果明顯。

正時(shí)罩蓋NVH有限元分析

引言

隨著汽車普及與更新?lián)Q代的加快，消費(fèi)者對(duì)整車舒適性要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)NVH作為評(píng)價(jià)整車性能的重要指標(biāo)，越來(lái)越被人重視。如何解決發(fā)動(dòng)機(jī)NVH高的問(wèn)題，從而改善整車的舒適性，成為各大主機(jī)廠面臨的越來(lái)越艱巨的難題。正時(shí)罩蓋具有薄壁和表面平而大的特點(diǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)主要的表面輻射噪聲源之一［1-2］。因此，提高結(jié)構(gòu)剛度能有效降低這些薄壁件的輻射噪聲［3］，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH有很大作用［4］。本文結(jié)合一款直列六缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)分析了正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH的影響及正時(shí)罩蓋優(yōu)化后的效果。

1　正時(shí)罩蓋模態(tài)分析

1.1正時(shí)罩蓋簡(jiǎn)介

本文涉及的正時(shí)罩蓋安裝在一款縱置直列六缸汽油機(jī)上，正時(shí)罩蓋（圖1及圖2所示）采用整體式結(jié)構(gòu)，此發(fā)動(dòng)機(jī)為后端正時(shí)，因此正時(shí)罩蓋外側(cè)與變速器殼體連接，正時(shí)罩蓋下端連接油底殼，正時(shí)罩蓋內(nèi)側(cè)下部連接缸體，中部連接缸蓋，上部連接缸蓋罩，模態(tài)計(jì)算采用四面體二次單元進(jìn)行建模。

圖1　正時(shí)罩蓋外側(cè)

圖2　正時(shí)罩蓋內(nèi)側(cè)

1.2分析輸入（如表1所示）

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)罩蓋分析輸入

1.3邊界條件

約束模態(tài)：計(jì)算的邊界條件的施加與工程實(shí)際是否吻合，直接影響到分析結(jié)果的合理性和正確性。此次施加的邊界條件如下：

1）正時(shí)罩蓋、缸蓋罩與缸體，缸蓋相連接的螺栓孔、螺栓過(guò)孔施加全約束；

2）正時(shí)罩蓋與缸蓋罩相連接的位置使用RBE2連接；

3）變速器連接螺栓過(guò)孔施加全約束；

4）正時(shí)罩蓋與油底殼相連接的螺栓約束釋放了曲軸軸向的約束。

1.4分析結(jié)果

用hypermesh對(duì)FEA模型做前處理，由abaqus計(jì)算得到正時(shí)罩蓋的約束模態(tài)，提取3 000 Hz范圍內(nèi)的約束模態(tài)。其固有頻率如圖3所示。典型的陣型如圖4~圖7所示。其中顏色越深，變形越大。

圖3　正時(shí)罩蓋固有頻率

圖4　一階約束模態(tài)1034.5Hz

圖5　二階約束模態(tài)1298.6Hz

圖6　三階約束模態(tài)1 830 Hz

圖7　四階約束模態(tài)1 980 Hz

由以上計(jì)算結(jié)果可知：正時(shí)罩蓋的中上部對(duì)應(yīng)的安裝VVL處的正時(shí)空腔，是正時(shí)罩蓋最為的薄弱區(qū)域，需要優(yōu)化正時(shí)罩蓋中上部的結(jié)構(gòu)形式，提高此處的剛度。

2　正時(shí)罩蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1優(yōu)化加強(qiáng)筋方案

根據(jù)以上結(jié)果可知，正時(shí)罩蓋的中上部為正時(shí)罩蓋的薄弱區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行加筋優(yōu)化。具體加筋優(yōu)化方案如表2所示。

表2　正時(shí)罩蓋加筋優(yōu)化方案幾何模型對(duì)比

2.2優(yōu)化方案分析結(jié)果

優(yōu)化前后的方案模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表3及圖8所示，對(duì)比如圖9～圖12所示。

表3　正時(shí)罩蓋固有頻率對(duì)比

圖8　改進(jìn)前后的正時(shí)罩蓋固有頻率對(duì)比圖

圖9　1階約束模態(tài)1 567 Hz

圖10　3階約束模態(tài)2 356 Hz

圖11　5階約束模態(tài)2 695 Hz

圖12　6階約束模態(tài)2 917 Hz

通過(guò)優(yōu)化正時(shí)罩蓋中上部的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，使正時(shí)罩蓋中上部的模態(tài)頻率有了很大的提高，一階模態(tài)頻率提高達(dá)50%，效果顯著，在3 000 Hz內(nèi)模態(tài)階數(shù)有很大程度的減少，由原來(lái)的9階模態(tài)減少為7階，因此很好地抑制了正時(shí)罩蓋的輻射噪聲。

3　驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3.1測(cè)量參數(shù)及位置（如圖13所示）

圖13　正時(shí)罩蓋測(cè)點(diǎn)布置

3.2試驗(yàn)項(xiàng)目與工況

1）在怠速工況下對(duì)整機(jī)進(jìn)行1 m聲壓級(jí)的噪聲測(cè)試［5］；

2）在1 000 r/min～5 500 r/min全負(fù)荷加速工況下對(duì)正時(shí)罩蓋進(jìn)行1 m聲壓級(jí)的噪聲測(cè)試。

3.3試驗(yàn)設(shè)備（如表4所示）

表4　測(cè)試設(shè)備

3.4正時(shí)罩蓋的怠速測(cè)試結(jié)果對(duì)比（如圖14所示）和全負(fù)荷加速過(guò)程對(duì)比（如圖15、圖16所示）

圖14　各面1 m聲壓級(jí)噪聲對(duì)比

圖15　修改前全負(fù)荷加速噪聲頻譜

圖16　修改后全負(fù)荷加速噪聲頻譜

由以上結(jié)果可知：

1）優(yōu)化后的正時(shí)罩蓋在怠速和加速時(shí)的振動(dòng)比原狀態(tài)正時(shí)罩蓋的振動(dòng)明顯降低；

2）修改前正時(shí)罩蓋在1 020 Hz左右可能出現(xiàn)共振，修改后正時(shí)罩蓋在5 500 Hz以內(nèi)無(wú)明顯共振；

3）從固有頻率的對(duì)比來(lái)看，正時(shí)罩蓋的優(yōu)化效果對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)其它面的噪聲也起到良好的效果。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)正時(shí)罩蓋進(jìn)行模態(tài)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)果：

1）通過(guò)對(duì)正時(shí)罩蓋的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使正時(shí)罩蓋的模態(tài)頻率由9階降為7階，第一階模態(tài)頻率提高了51.5%，從而很好地降低了正時(shí)罩蓋的輻射噪聲；

2）正時(shí)罩蓋的輻射噪聲，集中在正時(shí)罩蓋中上部的凹形空腔，因此在設(shè)計(jì)中盡量避免較大空腔的出現(xiàn)，此優(yōu)化方法對(duì)其它腔體薄壁類部件的噪聲優(yōu)化提供了很好的參考；

3）通過(guò)模態(tài)計(jì)算，能準(zhǔn)確地找到發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的薄弱位置，使設(shè)計(jì)者對(duì)薄弱位置進(jìn)行優(yōu)化，大大縮短了零部件的開發(fā)周期，提高了效率；

4）由試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，優(yōu)化后的正時(shí)罩蓋，整機(jī)各面的1 m聲壓級(jí)均值由原來(lái)的96.3 dB（A）減小到95.3 dB（A），降低了1 dB（A），降噪效果明顯。

1舒歌群，馬維忍，梁興雨，等.柴油機(jī)薄壁件表面輻射噪聲的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30（2）：25-28，33

2張煥宇，郝志勇，陳淵博.飛輪殼NVH性能研究與改進(jìn)［J］.汽車工程，2011（5）:71-73

3姜紹忠，閆文兵，陳越，等.柴油機(jī)表面輻射噪聲控制研究［J］.機(jī)械與電子，2011（5）：71-73

4錢人一.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997

5張宗成，楊景玲，張燕，等.發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的噪聲分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（6）：115-119

Optimizing and Analysis on NVH Performance for Timing Cover of a Gasoline Engine

Zhao Weiping1，2，Zhang Weiguo1，2，Wu Chao1，2，Yu Chao1，2，Zhang Ming1，2，Wei Yongqiang1，2，Zhou Shuo1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology＆Research Center

This paper introduces the dynamic characteristics of timing cover used on gasoline engine by the finite element method（FEM），gaining the modal frequency and vibration mode of the timing cover. According to these previous results，different schemes to modify the structure of timing cover were designed and calculated.The new results about modal analysis can be attained again，finally the optimal scheme was obtained.The results show that the first order constraint modal frequency is increased by 51.5%，and the order number is reduced by 2 under the range of 3000Hz.Finally，based on above modification，the test results indicate the mean value of 1 m sound pressure level of this engine is reduced from 96.3 dB（A）to 95.3dB（A），and significant benefit is gained from modified structure of timing cover.

Timing cover，NVH，F(xiàn)EM

TK411+.6

A

2095-8234（2015）04-0071-04

2015-03-17）

趙衛(wèi)平（1986-），男，大專，從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。