摩托車發(fā)動機異響噪聲識別與優(yōu)化

李 連

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

摩托車發(fā)動機異響噪聲識別與優(yōu)化

李 連

（重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

針對某摩托車發(fā)動機在怠速工況下噪聲較大且存在異響噪聲的現(xiàn)象，采用主觀分析、計算機仿真分析和試驗測試分析的綜合分析方法，對異響噪聲源進行定位。綜合分析結(jié)果顯示，該異響噪聲來自于曲軸箱附近，且構(gòu)成該異響噪聲的頻率主要來自于1600Hz～2400Hz左右。根據(jù)噪聲源識別結(jié)果，對發(fā)動機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果使得發(fā)動機整機噪聲降低1.6dB(A)，且異響噪聲被消除。

摩托車發(fā)動機；異響噪聲；識別；優(yōu)化

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-76-03

前言

噪聲問題是當(dāng)今世界的熱議話題之一。摩托車噪聲作為環(huán)境噪聲的重要來源之一，其影響不容忽視。降低摩托車噪聲既是我國相關(guān)法律法規(guī)的要求，也是企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)能力的集中體現(xiàn)。發(fā)動機異響是發(fā)動機中比較常見的問題，是發(fā)動機非正常工作的一種表現(xiàn)[1-2]。異響噪聲問題一方面大大降低了發(fā)動機的工作性能，另一方面嚴重影響駕乘人員的主觀感受。因此，降低摩托車發(fā)動機噪聲對提高發(fā)動機工作性能和駕駛舒適性都有著至關(guān)重要的作用。

1、問題描述與分析路線

圖1 技術(shù)路線

本文以一摩托車用單缸發(fā)動機為研究對象，旨在識別并消除其工作過程中出現(xiàn)的異響噪聲。該發(fā)動機在怠速工作過程中出現(xiàn)“哐哐哐”的異響噪聲，為消除該異響噪聲，本文制定如圖1所示的技術(shù)路線。根據(jù)異響噪聲的特點，在實際研究過程中，首先對該異響噪聲進行主觀分析與評價，進而根據(jù)分析結(jié)果，采用仿真和試驗綜合分析的方法對異響噪聲源進行定位，最后根據(jù)噪聲源定位結(jié)果對異響噪聲進行優(yōu)化。

2、主觀分析

主觀分析與試驗分析均在半消聲室中進行。為研究方便，將發(fā)動機安裝于臺架之上，并且定義如圖2所示的發(fā)動機整機坐標系。整機坐標系Y軸沿活塞運動方向，以自然向上方向為正方向；整機坐標系Z軸與曲軸旋轉(zhuǎn)軸平行，以圖示左側(cè)為正方向；整機坐標系X軸正方向通過右手定則確定。

圖2 發(fā)動機整機模型及坐標系

將發(fā)動機在怠速空載下工況下運行，并保持該狀態(tài)約5min中左右，以使發(fā)動機得到充分熱機。接著，對熱機后的發(fā)動機噪聲進行聽覺上的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該發(fā)動機機體表面有比較明顯的高頻高幅振動，且從曲軸箱內(nèi)輻射出非常明顯的異響噪聲，該異響噪聲在曲軸箱右側(cè)的聲響度高于左側(cè)。由以往研究可知，引起發(fā)動機異響的最主要的原因有兩個：其一是運動部件設(shè)計不合理，以致其運動過程中無法對自身進行解耦產(chǎn)生共振；其二可能是運動部件產(chǎn)生的激勵對其他部件引起共振，這也是在設(shè)計階段較難控制的問題之一[3-4]。由此，本文根據(jù)該發(fā)動機在運行過程中的特性綜合分析，從主觀上猜想引起其異響的原因可能是曲軸運動的某一階激勵引起曲軸箱體的共振。為此，本文繼續(xù)開展以下工作，以對該猜想進行驗證。

3、仿真分析

為驗證該異響是否由發(fā)動機箱體共振引起，本文首先對發(fā)動機殼體進行模態(tài)分析。綜合考慮建模的難度及計算的效率和精度，本文對發(fā)動機機體進行有限元離散時采用單元基本尺寸為3mm的四面體單元，對曲軸進行有限元離散時采用單元基本尺寸為2mm的六面體單元。

表1 自由模態(tài)分析仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

自由模態(tài)分析的目的主要是為了校核有限元離散的準確性。2500Hz以內(nèi)的自由模態(tài)的仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果的模態(tài)頻率對比如表1所示，從表中可以看出，二者相差較小，可認為該有限元模型可用于后期計算。

為更準確地模擬發(fā)動機運行時的整機變形情況，本文選擇對發(fā)動機機體和曲軸進行約束模態(tài)分析。在進行約束模態(tài)分析時，根據(jù)發(fā)動機在臺架上的安裝情況，將螺釘處進行全約束，以使仿真結(jié)果更加接近實際情況。大量文獻顯示，發(fā)動機所輻射的噪聲注意集中在低頻段，高頻段對整機噪聲的貢獻較小[5-7]。因此，本文選擇并計算0～3000 Hz以內(nèi)的發(fā)動機機體和曲軸的約束模態(tài)，該頻率范圍包含怠速工況下曲軸以25Hz為基頻的120階激勵。

表2 機體和曲軸約束模態(tài)的模態(tài)頻率分布

從上表可以看出，發(fā)動機機體在約束狀態(tài)下模態(tài)比較集中，這些模態(tài)很容易被外部激勵力激發(fā)，從而引起共振。將機體的約束模態(tài)頻率與曲軸的約束模態(tài)頻率進行對比可以發(fā)現(xiàn)，機體的第8階和第11階模特頻率與曲軸的第4階和第5階模態(tài)頻率非常接近。機體的第8階和第11階模特如圖3和圖4所示，其模態(tài)主要表現(xiàn)在曲軸箱體上的振動；曲軸的第4階和第5階模態(tài)如圖5和圖6所示，其分別為曲軸的橫向彎曲模態(tài)和縱向彎曲模態(tài)。因此，當(dāng)曲軸運動時，其第4階和第5階模態(tài)很可能會激起機體的第8階和第11階模特，從而產(chǎn)生共振，形成敲擊，輻射出噪聲。

圖3 機體第8階模態(tài)

圖4 機體第11階模態(tài)

圖5 曲軸第4階模態(tài)

圖6 曲軸第5階模態(tài)

4、試驗分析

仿真分析從理論上驗證了主觀分析中猜想的正確性。為進一步驗證仿真分析的結(jié)論，本文進一步對該發(fā)動機怠速工況下噪聲頻譜特性進行分析。頻譜分析過程中，在曲軸箱左右兩側(cè)（左側(cè)為Z軸負方向，右側(cè)為Z軸正方向）分別布置一個聲傳感器，距離曲軸箱體表面5cm，噪聲測試方法參考GB/T 1859-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》。

通過測試，得到20s穩(wěn)態(tài)測試中發(fā)動機左右兩側(cè)聲壓級如圖7和圖8所示，從左右兩側(cè)聲壓級頻譜圖上可以看出，左側(cè)高聲壓級主要表現(xiàn)在低頻段，隨著頻率地升高，聲壓級逐漸降低，該特性符合輻射噪聲的低頻特性；但在右側(cè)聲壓級頻譜圖中，1600Hz～2400Hz表現(xiàn)出了高頻特性，該現(xiàn)象屬于非正常現(xiàn)象，并且高聲壓級頻率段包含仿真分析中的共振模態(tài)頻率。結(jié)合主觀分析結(jié)果，定位異響噪聲源為右側(cè)曲軸箱體。

圖7 左側(cè)聲壓級頻譜

圖8 右側(cè)聲壓級頻譜

5、噪聲優(yōu)化

根據(jù)噪聲源定位結(jié)果，選擇右側(cè)曲軸箱體為優(yōu)化對象。右側(cè)曲軸箱體主要包括軸承安裝部分和曲軸箱蓋。綜合考慮優(yōu)化工作的有效性、可行性和成本的高低，本文選擇在原機基礎(chǔ)上添加一顆合箱螺釘，并在右側(cè)曲軸箱體內(nèi)增加一處加強筋。

圖7 發(fā)動機右側(cè)噪聲頻譜

將優(yōu)化后的模型更換至原機，并對該發(fā)動機噪聲進行評價。主觀分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機異響消除噪聲且整機場外噪聲有所改善。進一步對優(yōu)化后的發(fā)動機進行聲壓級測試和噪聲頻譜測試，測試過程中僅選擇發(fā)動機右側(cè)進行測試，測試位置與原機測試位置相同。測試結(jié)果顯示，發(fā)動機總聲壓級從79.8dB(A)降低到78.2dB(A)，降低幅度為1.6dB(A)。右側(cè)噪聲頻譜如圖7所示，從圖中可以看出，優(yōu)化后的發(fā)動機噪聲較原發(fā)動機噪聲有明顯改善，且在1600Hz～2400Hz內(nèi)的高噪聲現(xiàn)象基本消失。

6、結(jié)論

針對單缸汽油機異響噪聲現(xiàn)象，綜合運用主觀分析方法、仿真分析方法和試驗測試方法對異響噪聲源進行定位。定位結(jié)果顯示，右側(cè)曲軸箱為異響噪聲源。根據(jù)定位結(jié)果，以提高整機剛度為目的，對噪聲源進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將優(yōu)化后的部件更換至原機并進行噪聲試驗。試驗結(jié)果顯示，整機噪聲得到改善，異響噪聲消除，達到了本研究工作的目的。

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Motorcycle engine louder noise identification and optimization

Li Lian
( Chongqing vehicle test institute co., LTD., Chongqing 401122 )

The research is developed for the high noise and abnormal noise in a single-cylinder motorcycle engine under idle condition. In this research, the comprehensive analysis method of subjective analysis, computer aided analysis and experiment analysis is used. The results of comprehensive method show that abnormal noise is radiated around the crankcase. Afterwards, the engine structure is optimized based on the analysis results. Later on, the bench test shows that overall engine noise is reduced by 1.6dB(A) and the abnormal noise is eliminated through the optimization.

motorcycle engine; abnormal noise; identify; optimization

U464

A

1671-7988 (2017)05-76-03

李連，就職于重慶車輛檢測研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.025