渦輪增壓直噴汽油機(jī)變速器噪聲的試驗(yàn)研究*

劉凱敏，楊 靖，朱繼明，馮仁華,2，劉敬平，李 克

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.重慶理工大學(xué)，汽車零部件及先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

2016081

渦輪增壓直噴汽油機(jī)變速器噪聲的試驗(yàn)研究*

劉凱敏1，楊 靖1，朱繼明1，馮仁華1,2，劉敬平1，李 克1

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.重慶理工大學(xué)，汽車零部件及先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

本文利用鉛覆蓋對(duì)某渦輪增壓直噴汽油機(jī)各轉(zhuǎn)速下空載加速和滿載加速工況進(jìn)行了變速器噪聲試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷對(duì)變速器噪聲影響較大，隨著負(fù)荷的增加，變速器噪聲也增加?？蛰d加速時(shí)，變速器噪聲較小，其他噪聲占主要成分。滿載加速時(shí)，變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度隨著轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低。同一負(fù)荷下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，變速器噪聲也增加。總體上看，空載和滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的平均貢獻(xiàn)率分別為19.2%和29.1%。

汽油機(jī)；變速器噪聲；試驗(yàn)研究；發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷；噪聲貢獻(xiàn)度

前言

汽車噪聲已經(jīng)成為環(huán)境噪聲污染的主要來(lái)源之一，其大小是衡量汽車質(zhì)量水平的重要指標(biāo)，因此，汽車噪聲控制是目前世界汽車工業(yè)的一個(gè)重要課題[1-3]。

汽車噪聲由各零部件產(chǎn)生的噪聲共同組成，而變速器是汽車的重要傳動(dòng)部件。理論與試驗(yàn)研究均表明：變速器的噪聲是汽車噪聲的一個(gè)重要組成部分[4]。變速器噪聲的發(fā)生機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，它產(chǎn)生的主要原因是氣缸內(nèi)的高壓氣體周期性變化，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，然后傳遞到變速器表面輻射出來(lái)。變速器噪聲受變速器速度和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力升高率等因素的影響，并且和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性密切相關(guān)[5]。

不同類型的噪聲其控制方法也不同，因此，有效地分離各種噪聲成份，識(shí)別它們對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度，對(duì)采用合理和有效的措施控制不同類型的噪聲成分乃至整機(jī)的輻射噪聲具有十分重要的意義[6]。所以，正確識(shí)別和分離發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器噪聲是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制的一個(gè)重要基礎(chǔ)[7]。常用的聲源識(shí)別方法有：主觀評(píng)價(jià)法、鉛覆蓋法、分別運(yùn)行法、信號(hào)分析法、表面振速測(cè)量法和聲強(qiáng)測(cè)量法[8]。本試驗(yàn)研究以某渦輪增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，采用鉛覆蓋法對(duì)該汽油機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的空載和半載工況變速器噪聲進(jìn)行測(cè)量和分析，研究了不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下該汽油機(jī)變速器噪聲情況。為該發(fā)動(dòng)機(jī)變速器噪聲的進(jìn)一步分析和優(yōu)化提供了支持和指導(dǎo)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)變速器噪聲分離

1.1 鉛覆蓋法簡(jiǎn)述

鉛覆蓋法是利用鉛板將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)或一些主要的聲源包裹起來(lái)，由于鉛是一種高阻尼材料，所以在理想情況下發(fā)動(dòng)機(jī)完全用鉛包覆以后，輻射的聲功率級(jí)接近于零。在覆蓋表面與鉛板之間安裝吸聲材料(玻璃纖維)以隔振，防止回響的形成。然后將發(fā)動(dòng)機(jī)某一部分表面暴露出來(lái)，該部分噪聲將顯著增加，通過(guò)計(jì)算即可推出發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部分輻射噪聲的大小，從而找出主要的噪聲源[9]。鉛覆蓋法一般要求在消聲室或混響室內(nèi)進(jìn)行。

1.2 變速器噪聲分離計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)變速器噪聲分離也可采用分別運(yùn)轉(zhuǎn)消去法，主要步驟為：首先測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的總體噪聲，然后對(duì)需要識(shí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)部位，通過(guò)用鉛覆蓋或暫時(shí)停止其工作的方法控制其噪聲輻射，最后根據(jù)聲壓級(jí)或者聲功率疊加原理，從兩次的測(cè)試結(jié)果計(jì)算出這部分輻射噪聲的大小。

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)變速器噪聲分離試驗(yàn)時(shí)，分別測(cè)量變速器包覆鉛板(厚2mm)前后，發(fā)動(dòng)機(jī)在所研究工況下進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、前側(cè)面、后側(cè)面和頂側(cè)面的1m聲壓級(jí)和油底殼下方25cm處的聲壓級(jí)，從而算得變速器噪聲的貢獻(xiàn)值。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)前、后、上、左、右和油底殼下方6個(gè)傳感器測(cè)得的聲壓值，計(jì)算1m平均聲壓級(jí)。

(1)

對(duì)應(yīng)的聲功率級(jí)為

LW=LP+lgr+11

(2)

式中：LW為聲功率級(jí)，dB(A)；r為測(cè)點(diǎn)距離，m。

而聲功率為

W=10(0.1LW-12)

(3)

式中W為聲功率，W。

變速器噪聲聲功率對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)度為

(4)

式中η為變速器噪聲對(duì)整機(jī)的貢獻(xiàn)度。

2 變速器噪聲試驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)和測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為某立式、直列、水冷、四行程、廢氣渦輪增壓、缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

噪聲源識(shí)別試驗(yàn)在天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)和噪聲實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。其長(zhǎng)×寬×高尺寸為11.4m×7.2m×6.9m。用吸聲尖劈覆蓋四周的墻壁和頂棚，地面為平整的水泥地面。該試驗(yàn)室不受風(fēng)速的影響，最低背景噪聲只有18dB。主要試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

本次發(fā)動(dòng)機(jī)變速器噪聲試驗(yàn)主要以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)噪聲的測(cè)試為主，測(cè)試時(shí)首先使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的工作狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫和油溫上升到發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的溫度，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到穩(wěn)定測(cè)試工況，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下空載加速和滿載加速兩種工況下的變速器噪聲進(jìn)行測(cè)試。

發(fā)動(dòng)機(jī)前、后、上、下、左、右6個(gè)面的邊緣包絡(luò)面示意圖如圖1所示，變速器包裹后如圖2所示。

圖1 測(cè)試表面矩形包絡(luò)面

圖2 變速器包裹后狀態(tài)圖

3 變速器噪聲試驗(yàn)結(jié)果

3.1 空載加速變速器噪聲試驗(yàn)結(jié)果

圖3～圖7為發(fā)動(dòng)機(jī)空載加速工況下進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、前側(cè)面、后側(cè)面和頂面變速器噪聲1m聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果，圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)空載加速工況下油底殼下方25cm處變速器噪聲的聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果。圖9為空載加速時(shí)變速器噪聲1m平均聲壓級(jí)曲線，圖10為空載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度。

圖3 空載加速時(shí)進(jìn)氣側(cè)變速器噪聲

圖4 空載加速時(shí)排氣側(cè)變速器噪聲

圖5 空載加速時(shí)前側(cè)面變速器噪聲

圖6 空載加速時(shí)后側(cè)面變速器噪聲

圖7 空載加速時(shí)頂面變速器噪聲

圖8 空載加速時(shí)油底殼下方25cm處變速器噪聲

圖9 空載加速時(shí)變速器噪聲1m平均聲壓級(jí)

圖10 空載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度

從圖3～圖8中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)空載加速時(shí)，變速器噪聲隨著轉(zhuǎn)速的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但個(gè)別轉(zhuǎn)速，如3 600和3 800r/min也有噪聲下降的現(xiàn)象。變速器噪聲對(duì)排氣側(cè)的貢獻(xiàn)量最小，對(duì)進(jìn)氣側(cè)的貢獻(xiàn)度最大。從圖9可以看出，變速器噪聲隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)和各個(gè)側(cè)面的變化基本相同；由圖10可見(jiàn)，空載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度隨著轉(zhuǎn)速的增加變化不大，在10.7%～27.6%范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.2 滿載加速變速器噪聲試驗(yàn)結(jié)果

圖11～圖15為發(fā)動(dòng)機(jī)滿載加速工況下進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、前側(cè)面、后側(cè)面和頂面的變速器噪聲1m聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果。圖16為發(fā)動(dòng)機(jī)滿載加速工況下油底殼下方25cm處變速器噪聲的聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果。圖17為滿載加速時(shí)變速器噪聲1m平均聲壓級(jí)曲線，圖18為滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度。

圖11 滿載加速時(shí)進(jìn)氣側(cè)變速器噪聲

圖12 滿載加速時(shí)排氣側(cè)變速器噪聲

圖13 滿載加速時(shí)前側(cè)面變速器噪聲

圖14 滿載加速時(shí)后側(cè)面變速器噪聲

圖15 滿載加速時(shí)頂面變速器噪聲

圖16 滿載加速時(shí)油底殼下方25cm處變速器噪聲

圖17 滿載加速時(shí)變速器噪聲1m平均聲壓級(jí)

圖18 滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度

從圖11～圖16中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)滿載加速時(shí)，變速器噪聲隨著轉(zhuǎn)速的增加總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從圖17可以看出，變速器噪聲隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)和各個(gè)側(cè)面的變化基本相同，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，變速器噪聲很小，但在中低轉(zhuǎn)速變速器的噪聲有較大幅度的提高，在2 400～3 400r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，變速器的噪聲聲壓級(jí)差不多和包裹后的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲相當(dāng)，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)變速器噪聲的1m平均聲壓級(jí)變化不大。由圖18可以看出，滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度隨著轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低，在低速時(shí)，其貢獻(xiàn)值不到10%，但是在中等轉(zhuǎn)速，特別在2 400～3 400r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的貢獻(xiàn)值較大，其貢獻(xiàn)值在39.8%～47.3%范圍內(nèi)波動(dòng)。這主要是因?yàn)闈M載時(shí)，該渦輪增壓直噴汽油機(jī)在2 400～3 400r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，變速器所承受的負(fù)載較大，導(dǎo)致變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率貢獻(xiàn)度較大。

3.3 不同負(fù)載下變速器噪聲對(duì)比

圖19為空載和滿載加速時(shí)的變速器噪聲1m平均聲壓級(jí)對(duì)比，圖20為空載和滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度對(duì)比。

圖19 不同負(fù)載下變速器噪聲1m聲壓級(jí)對(duì)比

圖20 不同負(fù)載下變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度對(duì)比

由圖19可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷對(duì)變速器噪聲影響較大，隨著負(fù)荷的增加，變速器噪聲也增加；由圖20可以看出，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度降低，但是在中等轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越大，變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度越大。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度隨著負(fù)荷變化的影響不明顯?？傮w上看，滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度比空載加速時(shí)大很多，空載和滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的平均貢獻(xiàn)值分別為19.2%和29.1%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各轉(zhuǎn)速下下發(fā)動(dòng)機(jī)空載和滿載時(shí)的變速器噪聲試驗(yàn)研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)變速器噪聲影響較大。同一負(fù)荷下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，變速器噪聲也增加。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷對(duì)變速器噪聲影響較大，隨著負(fù)荷的增加，變速器噪聲也增加，而且變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的貢獻(xiàn)度也增加，特別是在中高轉(zhuǎn)速影響較大。

(3) 在空載加速時(shí)，變速器噪聲較小，其他噪聲占主要成分，變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度隨著轉(zhuǎn)速的增加變化不大，其貢獻(xiàn)值在10.7%～27.6%范圍內(nèi)波動(dòng)。

(4) 在滿載加速時(shí)，變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度隨著轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低。在2 400～3 400r/min這段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其貢獻(xiàn)值在39.8%～47.3%范圍內(nèi)波動(dòng)。

(5) 總體上看，滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)噪聲聲功率的貢獻(xiàn)度比空載加速時(shí)大很多，空載和滿載加速時(shí)變速器噪聲對(duì)整機(jī)聲功率的平均貢獻(xiàn)值分別為19.2%和29.1%。

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An Experimental Study on the Transmission Noise ofa Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

Liu Kaimin1, Yang Jing1, Zhu Jiming1, Feng Renhua1,2, Liu Jingping1& Li Ke1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082； 2.ChongqingUniversityofTechnology,KeyLaboratoryofAdvancedManufactureTechnologyforAutomobileParts,MinistryofEducation,Chongqing400054

In this paper, an experimental study on transmission noise is conducted under no-load and full-load acceleration conditions at different rotation speeds of a turbocharged gasoline direct injection engine with lead-covering technique. The results show that engine loads have significant effects on transmission noise. Transmission noise rises with the increase of engine load. At no-load acceleration, transmission noise is relatively low with other noises dominating the major components. At full load acceleration, with the increase of engine speed, the contributions of transmission noise to the overall sound power of engine noise rise first and then fall. Under same engine load, transmission noise increases with the rise of engine speed. On the whole, the average contribution rates of transmission noise to the overall sound power of engine noise at no-load and full load accelerations are 19.2% and 29.1% respectively.

gasoline engine; transmission noise; experimental study; engine load; noise contribution

*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111703)和湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015B088)資助。

原稿收到日期為2014年12月19日，修改稿收到日期為2015年3月25日。