一種新型發(fā)動機裝飾罩的開發(fā)研究

查亮

一種新型發(fā)動機裝飾罩的開發(fā)研究

查亮

（上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

為集成傳統(tǒng)發(fā)動機裝飾罩美化前艙、防塵防油污與發(fā)動機聲學包件吸音降噪的作用，設(shè)計了發(fā)動機吸音罩，并通過試驗研究其降噪性能。介紹了發(fā)動機吸音罩與現(xiàn)有的發(fā)動機裝飾罩的結(jié)構(gòu)，并對比分析其各自優(yōu)缺點；說明了發(fā)動機吸音罩使用材料的微觀結(jié)構(gòu)、吸音原理及生產(chǎn)工藝。結(jié)合實車零件開發(fā)案例，首先，對吸音罩覆蓋范圍進行劃定，將不同厚度、密度的片材進行對比測試，確定合適的材料選型及包覆方案；然后綜合考慮工藝性、裝配性和降噪要求設(shè)計三維數(shù)據(jù)并制作軟模驗證；最后，進行車內(nèi)噪聲試驗，對比驗證其降噪效果。試驗表明，發(fā)動機總聲功率級降低1.3 dB(A)，并對多個頻帶噪聲均有作用，有效提高了整車聲品質(zhì)。

吸音罩；發(fā)動機噪聲；被動降噪；聚氨酯

傳統(tǒng)的發(fā)動機裝飾罩覆蓋發(fā)動機上部，主要起美化前艙布局、防塵防水油、保護發(fā)動機線束、點火線圈、傳感器等關(guān)鍵部件的作用，同時在一定程度上減少發(fā)動機噪音的傳播，降低隔音成本[1]。但由于傳統(tǒng)發(fā)動機裝飾罩的隔音性能主要依靠裝飾罩背面點焊的吸音棉，受限于吸音棉本身的材料結(jié)構(gòu)特性和吸音特性及其阻斷發(fā)動機輻射噪音傳播路徑的嚴密程度，對發(fā)動機噪聲的隔音效果有很大的局限。

本文對比常見的發(fā)動機裝飾罩結(jié)構(gòu)，引入一種采用聚氨酯發(fā)泡材料直接發(fā)泡成型的發(fā)動機裝飾罩——發(fā)動機吸音罩（以下簡稱吸音罩）。吸音罩作為發(fā)動機聲學包的部件之一，繼承了傳統(tǒng)發(fā)動機裝飾罩的作用，同時具有良好的吸音性能，能夠有效降低發(fā)動機輻射噪聲、提高整車聲品質(zhì)。本文介紹吸音罩的生產(chǎn)工藝、材料微觀結(jié)構(gòu)、開發(fā)流程和設(shè)計方法，并針對某柴油發(fā)動機怠速工況時噴油器“噠噠”聲突出、聲品質(zhì)差的問題，設(shè)計解決方案，最后實車應用、驗證。

1 常見發(fā)動機裝飾罩結(jié)構(gòu)

目前常見的發(fā)動機裝飾罩結(jié)構(gòu)有五種，如表1所示。綜合對比可得，塑料裝飾蓋＋玻纖內(nèi)襯結(jié)構(gòu)裝飾罩污染大、質(zhì)地硬、聲學效果差、材料可塑性也不好；塑料裝飾蓋＋PET內(nèi)襯結(jié)構(gòu)裝飾罩的可塑性差且聲學效果有限；塑料裝飾蓋＋聚氨酯發(fā)泡內(nèi)襯與復合發(fā)泡成型這兩種結(jié)構(gòu)裝飾罩的可塑性均不好，對噪聲源無法實現(xiàn)整體包覆；吸音罩（聚氨酯發(fā)泡材料直接成型）不但具有更高的表面外觀要求和尺寸穩(wěn)定性，同時還擁有非常好的聲學性能。

表1 常見發(fā)動機裝飾罩優(yōu)缺點對比表

NVH（Noise、Vibration、Harshness）：噪音、振動、聲振粗糙度

2 材料結(jié)構(gòu)與吸音原理

傳統(tǒng)發(fā)動機裝飾罩所用的吸音棉材質(zhì)多為“玻纖＋無紡布”或“PET＋無紡布”的組合，其微觀結(jié)構(gòu)由數(shù)不清的纖維交織、纏繞、粘結(jié)在一起，形成很多細小的縫隙。吸音罩所使用的聚氨酯材料是通過按比例混合的A、B料反應生成，微觀為多孔互聯(lián)結(jié)構(gòu)，即無數(shù)微小的孔隙之間相互聯(lián)結(jié)[2]，如圖1所示。材料表層是約1～2 mm厚度的彈性結(jié)皮，為微孔隙結(jié)構(gòu)，具有罩蓋和封閉功能；結(jié)構(gòu)內(nèi)部主體為微孔吸音泡沫芯，為規(guī)則且較大的連續(xù)泡孔結(jié)構(gòu)，起主要吸音降噪作用；泡沫芯與結(jié)皮之間是約2 mm厚度的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，主要為橢圓開孔結(jié)構(gòu)，也具有吸音功能。

吸音棉和吸音罩的吸音原理一樣，均是給聲波留下進入的通道（細小的縫隙或無數(shù)連綿不斷的孔腔），當聲波傳入后，在縫隙或孔腔間不斷折返，聲能轉(zhuǎn)化為熱能，且產(chǎn)生的熱能微乎其微，對發(fā)動機部件無影響，從而使聲能量大幅衰減，實現(xiàn)吸音目的[3]。分析微觀結(jié)構(gòu)本身，對比縫隙與孔腔的大小和密度，聚氨酯材料相對于吸音棉在吸音性能上有明顯優(yōu)勢。

圖1 吸音罩聚氨酯材料截面微觀結(jié)構(gòu)圖

3 生產(chǎn)工藝

發(fā)動機吸音罩的生產(chǎn)過程如圖2所示。首先采用噴涂機械手對模具噴灑脫模劑，確保脫模劑噴灑均勻，產(chǎn)品表面無針孔、粘模、花紋等缺陷；然后高壓聚氨酯發(fā)泡機按比例混合AB料（異氰酸酯、組合聚醚），經(jīng)由機械灌注手沿軌跡將發(fā)泡料注入模具，確保產(chǎn)品A面流紋一致；上下模采用兩個水溫機精確控制模具溫度，使產(chǎn)品上下表皮厚度在規(guī)范要求內(nèi)。模具經(jīng)過旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)線上烘道保溫、冷卻后，開模取件、手工修邊后，通過機械手對產(chǎn)品掃面檢測，像素圖像對比檢測產(chǎn)品表面質(zhì)量，合格產(chǎn)品入庫儲存。

圖2 吸音罩的生產(chǎn)流程圖

4 開發(fā)流程和設(shè)計方法

發(fā)動機吸音罩的開發(fā)主要是根據(jù)發(fā)艙布置情況及其吸音要求，進行覆蓋范圍、型面、固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

4.1 確認覆蓋面積

根據(jù)發(fā)動機動態(tài)包絡(luò)、整車布置邊界的要求、車身件靜態(tài)間隙要求及前艙各部分各工況下的極限溫度，確定吸音罩的外形尺寸。

4.2 吸音性片材測試

為驗證吸音罩覆蓋面積是否滿足NVH吸音性要求，選定吸音罩厚度和材料密度。使用不同密度（常用密度：150±25 kg/m3、220±25 kg/m3、250±25 kg/m3）、同一厚度（常用厚度：15 mm、20 mm）的聚氨酯片材（片材尺寸：0.3 m×0.3 m）對覆蓋范圍進行手工包覆。在半消聲實驗室進行噪聲實驗，得到包覆前、包覆后及不同片材密度、覆蓋厚度包覆的各組測試結(jié)果。由于材料密度、覆蓋厚度通常與吸音性成正相關(guān)系，如圖3所示[4]，密度和厚度在一定范圍內(nèi)增加，會獲得更好的吸音性，但單車成本和重量也會隨之增加。這就需要綜合加權(quán)各組的吸音特性曲線、吸音罩重量目標、成本目標以及吸音性要求，選擇合適的材料特性及厚度來設(shè)計隔音墊[5]。

圖3 不同厚度片材吸音曲線對比圖

4.3 3D設(shè)計與評審

吸音罩3D設(shè)計主要分兩個方面，造型面設(shè)計和固定結(jié)構(gòu)設(shè)計。造型面設(shè)計需在確定的覆蓋范圍下保證工藝的可實現(xiàn)性。固定結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)覆蓋范圍的尺寸，確定定位點，考慮吸音罩的重量，定位點間距一般不超過250 mm，定位點與邊界的距離在50～150 mm之間。定位點固定結(jié)構(gòu)要求安裝可靠、拆裝方便，能夠通過振動試驗。除呼吸器、傳感器、線束等特殊零件外，吸音罩內(nèi)表面需與發(fā)動機充分貼合。

評審是對3D數(shù)據(jù)進行周邊件校核。吸音罩與周邊件間隙滿足整車布置要求，不與發(fā)動機件干涉，與線束、傳感器、呼吸器等留有合理間距，在發(fā)動機機油加注口和機油尺處留有手操空間，同時校核吸音罩拆裝路徑。

4.4 軟模件驗證

對設(shè)計出的吸音罩制作軟模件，利用軟模件進行吸音性、售后拆裝、ADVP（Analysis、Development、Validation、Plan，分析、研發(fā)、驗證、計劃）的驗證，ADVP具體試驗項目如表2所示。

4.5 車應用

通過對軟模件的驗證，修改設(shè)計、總結(jié)經(jīng)驗，最終應用于實車。

表2 吸音罩ADVP具體試驗項目

SOR（Statement of Requirements）：產(chǎn)品（零件）需求描述；R.H.（Relative Humidity）：相對濕度；

ELV（End of Life Vehicle）：《關(guān)于限制電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》，是由歐盟立法制定的一項強制性標準。

5 車驗證

某開發(fā)中的商用柴油車，高配定位車型的振動噪聲水平未達到設(shè)定VTS指標要求，主要問題為：發(fā)動機艙噪聲大，怠速時出現(xiàn)“噠噠”聲，聲品質(zhì)不好。針對這一情況，通過分析噪聲試驗數(shù)據(jù)，判定噪聲聲源為發(fā)動機噴油器輻射噪聲[6]，主要集中在幾千赫茲的高頻區(qū)域內(nèi)?？紤]車型已上市，采取改進結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計的主動降噪措施所需時間投入過長，而且需由發(fā)動機供應商配合承擔，所以采用添加發(fā)動機聲學包這一被動降噪措施[7]，應要求設(shè)計開發(fā)作為發(fā)動機聲學包零件之一的吸音罩。

發(fā)動機吸音罩至于發(fā)動機上方，根據(jù)發(fā)動機和整車布置邊界，考慮吸音罩所用聚氨酯材料耐受溫度及發(fā)動機溫度場分布，劃定吸音罩可覆蓋的最大范圍。在該范圍內(nèi)，利用聚氨酯片材實車手工包覆，如圖4所示。

如圖5所示，通過噪聲實驗分析，怠速工況下噴油器包裹能降低頂面噪聲1.1 dB(A)，全包覆能降低頂面噪聲3.0 dB(A)，2000 Hz以上高頻降低明顯。

圖4 油器包覆與全覆蓋

如圖6所示，全負荷工況下，噴油器包裹能降低頂面噪聲0.9 dB(A)，全包覆能降低頂面噪聲1.8 dB(A)?？傻贸鼋Y(jié)論，兩種包覆情況均能降低頂面多個頻帶燃油系統(tǒng)噪聲，特別是高頻噪聲，提升聲品質(zhì)。綜合考慮降噪情況、材料重量、美觀要求等方面，確認吸音罩的包覆范圍（覆蓋噴油器、油軌，避讓增壓器及排氣端）、材料厚度（最厚處為65 mm、最薄處為15 mm）和材料密度（200±5 kg/m3）。

吸音罩造型面要求1 mm自結(jié)皮，表面光滑無氣孔。背面與發(fā)動機件零接觸，其中注意與線束、傳感器保留2 mm間隙，與呼吸器保留5 mm間隙。吸音罩設(shè)計方案如圖7所示。

圖5 怠速工況下1/3倍頻程聲壓級

圖6 全負荷工況下倍頻程聲壓級

圖7 吸音罩設(shè)計方案

底層吸音罩包覆油軌、噴油器，形成密封圈。上層覆蓋吸音罩、覆蓋整個包覆范圍，阻斷噪聲向外輻射。吸音罩通過螺柱卡扣的連接方式固定在發(fā)動機支架上。

將吸音罩模具件實車置于消聲室中，在發(fā)動機頂部、駕駛員耳旁放置麥克風，進行整車聲傳函測試[8]。

測試結(jié)果表明，發(fā)動機總聲功率級降低1.3 dB(A)并對多個頻帶噪聲均有作用，有效提高了整車聲品質(zhì)[9]，如圖8所示。

圖8 發(fā)動機總聲壓級對比圖

6 結(jié)語

作為發(fā)動機聲學包件之一，發(fā)動機吸音罩集成了隔音降噪、美化前艙、提升整車品質(zhì)的功能，同時具有開發(fā)周期短、經(jīng)濟性、輕量化等特點。本文結(jié)合實際工作中的開發(fā)案例，梳理了吸音罩的吸音原理、生產(chǎn)工藝，提出了一般吸音罩的開發(fā)流程和設(shè)計方法。實驗證明對發(fā)動機端的NVH性能改善效果明顯，從而優(yōu)化了汽車開發(fā)的綜合效益，使整車的品質(zhì)更好，為客戶提供更舒適的駕駛感受[10]。

[1]古婷. 發(fā)動機裝飾罩設(shè)計方法[J]. 機械，2015（9）：49-52.

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[3]曾月蓮. 聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料降噪性能的研究[D]. 北京：機械科學研究總院，2007.

[4]沈沉. 汽車隔音墊用聚氨酯軟質(zhì)高回彈泡沫的吸音性能研究[J]. 化學推進劑與高分子材料，2012（10-02）：56-58.

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[6]石月奎. 供油系統(tǒng)對柴油機及車內(nèi)噪聲影響的研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015（53）：36-40.

[7]韓丹. 某汽油機聲學包設(shè)計研究[J]. 汽車實用技術(shù)，2018（22）：171-172.

[8]彭程. 基于整車聲傳函的聲學包評價及應用[J]. 機械，2016（6）：42-46.

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[10]王永鋒. 基于多車型離合器開發(fā)實踐的汽車NVH性能改善研究[J]. 機械，2017（9）：37-41.

Development and Research of a New Type of Engine Decorative Cover

ZHA Liang

( SAIC MOTOR Commercial Vehicle Technical Center, Shanghai 200438, China )

In order to integrate the function of traditional engine decorative cover to beautify the engine cabin, dust and oil proof, and the effect of sound absorption and noise reduction of engine acoustic package, an engine sound absorption hood was designed, and its noise reduction performance was studied through experiments. The structure of he engine sound absorber and the existing engine decorative cover are introduced, and their advantages and disadvantages are compared and analyzed. The microstructure, sound absorption principle and production process of the material used in the engine sound absorber cover are explained.Combining with the development case of real vehicle parts, firstly, the coverage of sound absorber is delimited, and the sheets with different thickness and density are tested and compared to determine the suitable material selection and coating scheme; secondly, considering the requirements of technicality, assembly and noise reduction, 3Dmodel are designed and the soft model verification is made; lastly, the in-vehicle noise experiments were conducted to verify the effectiveness of noise reduction. The test results show that the total sound power level of the engine is reduced by 1.3dB (A) and the noise of multiple frequency bands is effective to improve the sound quality of the vehicle.

sound absorption hood；engine noise；sound arrester；polyurethane (PUR)

U464

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.012

1006－0316 (2020) 05－0075－06

2019－08－13

查亮（1990－），女，江蘇南通人，碩士，工程師，主要從事發(fā)動機附件開發(fā)設(shè)計工作，E-mail：ZhaLiang@saicmotor.com。