某汽油機(jī)前端噪音控制的試驗(yàn)研究

李　劍 ,　馬春亮,　劉麗佳

(1.長城汽車股份有限公司動力研究院，保定 071000；2.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定 071000)

?

某汽油機(jī)前端噪音控制的試驗(yàn)研究

李劍1,馬春亮2,劉麗佳1

(1.長城汽車股份有限公司動力研究院，保定 071000；2.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，保定 071000)

針對一款發(fā)動機(jī)前端噪音大問題，對音源位置、大小及產(chǎn)生原因進(jìn)行檢測分析，然后通過逐步的對比試驗(yàn)，對增加正時罩蓋隔音罩的設(shè)計方案進(jìn)行逐步驗(yàn)證，最終確定正時罩蓋隔音罩設(shè)計方案，開發(fā)樣件并進(jìn)行裝車試驗(yàn)，徹底解決了正時噪音問題.

汽油機(jī)；噪音；被動降噪；聚氨酯

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，設(shè)計和制造水平的不斷提高，顧客對汽車產(chǎn)品的要求也越來越高.發(fā)動機(jī)的NVH品質(zhì)直接影響顧客整車使用感受，因此以前不被重視的發(fā)動機(jī)噪音及振動問題越發(fā)凸顯，噪聲的控制顯得尤為重要[1-2].必須從設(shè)計到制造全程考慮該問題，才能滿足顧客日益提高的需求.

1　故障現(xiàn)象

發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中需要進(jìn)行整機(jī)NVH性能評價，發(fā)現(xiàn)突出的或者不正常的振動和噪音.某汽油機(jī)在進(jìn)行消音室NVH試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)正時側(cè)噪音異常，檢測出正時罩蓋存在共振噪音、鏈條張緊器動作噪音以及鏈條嚙合噪音等多處噪音.該噪音為人耳可辨識的明顯噪音，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)聲品質(zhì)[3-4]，且在發(fā)動機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速2 000轉(zhuǎn)(為發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速)附近尤為明顯，顧客感受直接[5-6].

該發(fā)動機(jī)為高端機(jī)型，NVH品質(zhì)顯得尤為重要，該問題必須徹底解決.

2　故障原因分析

2.1方案分析

根據(jù)NVH摸底試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)前端存在多個噪聲源，且種類不同，其中包含鏈條嚙合音、張緊器動作音等，情況復(fù)雜.發(fā)動機(jī)整體開發(fā)已經(jīng)基本成型，無法進(jìn)行大的變更.在現(xiàn)有技術(shù)條件下，主動消除噪音困難,采用遮擋覆蓋等被動隔音罩降噪措施，用以降低發(fā)動機(jī)前端噪音.

2.2包裹驗(yàn)證

為初步驗(yàn)證在發(fā)動機(jī)前端用吸音材料進(jìn)行包裹的方案可行性，采用具有粘性的吸音阻尼材料對正時罩蓋進(jìn)行粘貼覆蓋，通過手工裁剪粘貼，將正時罩蓋外表面約70 %的表面積進(jìn)行覆蓋，并在消音室臺架進(jìn)行噪音對比試驗(yàn).雖然包裹方案較為粗糙，但是減噪效果明顯，見圖1.

圖1　包裹正時罩蓋前后正時側(cè)噪聲頻譜對比分析

驗(yàn)證效果：怠速包裹正時罩蓋正時側(cè)(1米聲壓級)噪聲降低3 dB ，聲品質(zhì)提高，尖銳度降低0.18 acum，響度降低1.7 sone，語音清晰度提高3%AI. 初步驗(yàn)證了包裹方案的有效性，為下一步工作奠定了基礎(chǔ).

2.3簡易樣件驗(yàn)證

在之前初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮吸音發(fā)泡材料在本發(fā)動機(jī)上應(yīng)用及未來量產(chǎn)隔音罩的實(shí)際工程化，決定采用聚氨酯發(fā)泡(PUR)材料進(jìn)行進(jìn)一步的簡易樣件驗(yàn)證.PUR是一種輕質(zhì)多孔類似海綿的橡膠材料，吸音降噪效果優(yōu)良，且具有一定工程強(qiáng)度，不易破損，加入阻燃劑后不燃燒，是良好的汽車工程材料.聯(lián)系相關(guān)生產(chǎn)廠家，尋找到兩塊不同規(guī)格密度的聚氨酯發(fā)泡材料，經(jīng)過簡單的裁剪及粘貼處理，包裹在發(fā)動機(jī)正時罩蓋前端，進(jìn)行消音室試驗(yàn)驗(yàn)證.通過無隔音罩、裝有隔音材料一及隔音材料二3個狀態(tài)的噪聲數(shù)據(jù)對比，明確了不同厚度與密度的隔音材料在該發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用效果，見圖2.

從圖中可以看出不同密度及厚度隔音材料在應(yīng)用中的不同效果.其中，2號包裹材料的效果明顯優(yōu)于1號包裹材料，且在發(fā)動機(jī)前端一米處約2分貝降噪效果明顯.

圖2　正時前端一米聲壓級對比

2.4正式樣件設(shè)計

簡易樣件的試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)了該方案的可行性，決定正式進(jìn)行該降噪方案的工程化.因發(fā)動機(jī)主體設(shè)計已經(jīng)完成，不可能進(jìn)行大幅度的改動，只能利用現(xiàn)有邊界條件，設(shè)計開發(fā)量產(chǎn)狀態(tài)隔音罩，現(xiàn)有發(fā)動機(jī)前端存在多個管路，螺栓固定孔等結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且隔音罩實(shí)現(xiàn)工程化與實(shí)驗(yàn)室制作的簡易樣件的要求完全不一樣，在正式樣件方案中，要考慮盡量減少裝配復(fù)雜性，并覆蓋盡可能大的面積.對發(fā)動機(jī)前端管路稍加調(diào)整，利用前端管路對隔音罩進(jìn)行輔助固定.利用正時罩蓋表面的突出筋，讓隔音罩和正時罩蓋互相包含，緊密貼合，充分利用隔音罩的材料彈性進(jìn)行吸振.通過不斷協(xié)調(diào)優(yōu)化，不但解決了該發(fā)動機(jī)的噪音大的問題，還改善了發(fā)動機(jī)前端外觀，提升產(chǎn)品精致度，見圖3和圖4.

圖3　增加隔音罩前發(fā)動機(jī)前端照片

圖4　增加隔音罩后發(fā)動機(jī)前端照片

2.5臺架試驗(yàn)結(jié)果

確定以上方案后，制作隔音罩模具，進(jìn)行樣件開發(fā)，并裝配發(fā)動機(jī)，再次在NVH消音室臺架進(jìn)行NVH試驗(yàn)驗(yàn)證.通過裝配及取消正時罩蓋隔音罩的噪音結(jié)果對比，證實(shí)方案有效，其中發(fā)動機(jī)前端，近場隔音效果在2dB以上，見圖5.

圖5　正時端近場聲壓級對比

2.6實(shí)車降噪效果驗(yàn)證

通過前期不斷的分析及驗(yàn)證，整改方案通過了發(fā)動機(jī)消音室試驗(yàn)驗(yàn)證的隔音罩方案，但最終效果需要在整車上進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證.將正時罩蓋隔音罩裝配在試驗(yàn)車上，開始進(jìn)行最終的整車上的噪音對比試驗(yàn).在機(jī)艙前端中部及駕駛員右耳附近布置傳感器，在怠速及加速兩個工況下，進(jìn)行隔音罩的噪音對比驗(yàn)證.見圖6和圖7.

圖 6　怠速工況駕駛員右耳(上)及正時近場(下)噪音頻譜

圖7　加速工況駕駛員右耳(上)及正時近場(下)噪音頻譜

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，增加正時罩蓋隔音罩后，機(jī)艙前端中部和駕駛員右耳處的噪音都有明顯降低，尤其是在加速工況，正時近場處(機(jī)艙前端中部)噪音降低3.7分貝，效果顯著，設(shè)計方案通過了整車試驗(yàn)的最終驗(yàn)證.

2.7可靠性試驗(yàn)

為確保產(chǎn)品的耐久性能，在正時罩蓋隔音罩正式量產(chǎn)前，在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證.裝配有隔音罩的發(fā)動機(jī)經(jīng)過400小時的全速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，在試驗(yàn)后零件分析中發(fā)現(xiàn)隔音罩靠近排氣歧管的部位存在局部老化問題，雖然未發(fā)生明顯破壞，但有局部變脆、碳化的現(xiàn)象(見圖8).

后經(jīng)排查，確認(rèn)為試驗(yàn)室軸流風(fēng)機(jī)將排氣歧管周圍的高溫氣體從發(fā)動機(jī)側(cè)后端吹向隔音罩，導(dǎo)致隔音罩局部溫度超出耐熱極限，發(fā)生加速老化是橡膠產(chǎn)品的固有特性.

圖8　隔音罩受熱老化照片

問題發(fā)生后，排查同期裝車的數(shù)臺試驗(yàn)車，隔音罩均為未發(fā)生此問題，通過對比分析，其原因?yàn)檎嚿犸L(fēng)扇會將空氣由發(fā)動機(jī)前端吹向發(fā)動機(jī)后端，與實(shí)驗(yàn)室臺架空氣流動方向不同，排氣歧管的高溫氣體不會影響正時罩蓋隔音罩.從此案例中可以推論，如果隔音罩周圍存在高溫?zé)嵩矗瑒t隔音罩周圍的氣體流動，熱輻射方向則需要格外重視，必要時需增加隔熱設(shè)施，并且提高隔音罩材料的防火等級，顧客使用過程中即使發(fā)生意外情況，只會引起隔音罩的加速老化，但受熱著火絕對不會發(fā)生.

3　結(jié)　論

根據(jù)上述對問題的分析，和逐步驗(yàn)證并最終解決問題，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

1)在噪音和振動復(fù)雜情況(如發(fā)動機(jī))下，主動降噪實(shí)施困難，增加隔音罩等被動降噪方案具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢.

2)不同厚度與密度(發(fā)泡孔隙大小)的隔音材料對于降噪效果明顯不同，同一材料，對于不同頻段的噪音亦有著不同的效果.

3)隔音類產(chǎn)品，通過良好的設(shè)計，不但不會增加裝配復(fù)雜度，還具有改善產(chǎn)品外觀的功能.

4)絕大部分發(fā)泡橡膠類產(chǎn)品的耐受溫度在200 ℃以下，所以設(shè)計中必須要考慮產(chǎn)品周圍環(huán)境溫度，熱輻射和氣流方向，避免出現(xiàn)加速老化.并嚴(yán)格添加防火成分，保證耐火等級.

5)材料的耐火等級要重點(diǎn)考慮，絕大部分發(fā)泡橡膠類產(chǎn)品的耐受溫度在200 ℃以下，所以設(shè)計中必須要考慮產(chǎn)品周圍環(huán)境溫度，熱輻射和氣流方向，避免出現(xiàn)加速老化.并嚴(yán)格添加防火成分，保證耐火等級.

[1]錢人一.汽車發(fā)動機(jī)噪聲控制[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2008.

[2]梁興雨. 內(nèi)燃機(jī)噪聲控制技術(shù)及聲輻射預(yù)測研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2006.

[3]龐劍，偡剛，何華. 汽車噪聲與震動：理論與應(yīng)用[M],北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[4]陳秀娟.實(shí)用噪聲及振動控制[M].北京：化工工業(yè)出版社,1999.

[5]熊勇剛，李順，夏天軍，等.發(fā)動機(jī)殼體噪聲輻射控制研究[J]，湖南大學(xué)學(xué)報，2012，26(3)：44-47.

[6]李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計算高級應(yīng)用實(shí)例[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

Experimental Research on Front-end Noise Control of aGasoline Engine

LI Jian1,MA Chun-liang2,LIU Li-jia1

(1.Engine R&D center,Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding 071000, China;2.Technical Center,Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding 071000, China)

Aiming at the problem of the larger noises at the front-end of an engine, some detection analyses are made for the positions of the noise source, the level of the noise and the reasons causing the noise. Through some contrast tests, a design method of adding an insulator to the timing cover is verified gradually. The design of the timing cover insulator is confirmed, the developed samples are tested on the vehicle and the problem of the timing noise is finally solved.

direct injection gasoline engine; noise; sound arrester; polyurethane (PUR)

1009-4687(2016)02-0010-04

2015-9-10

李劍(1986-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)正時罩蓋，附件支架等結(jié)構(gòu)件的設(shè)計與開發(fā).

TJ811

A