柴油機惰輪高頻噪聲分析與優(yōu)化試驗研究

肖明雅 樊士貢 汪會斌 翁凌霄

摘要：柴油機高頻噪聲嚴(yán)重影響發(fā)動機主觀評價，附件輪系是高頻噪聲產(chǎn)生的根源之一，利用噪聲信號頻譜分析和聲學(xué)相機識別出輪系中惰輪在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生高頻噪聲，對振動信號進行頻譜分析判斷為軸承振動引起。采用雙排軸承減小游隙，克服單排軸承游隙過大問題降低軸承噪聲。同時診斷出軸承固定支座剛度不足，對軸承振動產(chǎn)生較大影響，使軸承振動加劇放大軸承噪聲，通過提高軸承安裝支座剛度大幅度降低軸承振動和噪聲。

關(guān)鍵詞：高頻噪聲;游隙;軸承噪聲;支架剛度

中圖分類號：TK441+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0048-03

0? 引言

柴油機工作噪聲頻率分布與人耳主觀感受息息相關(guān)，高頻噪聲成分過多會使聲音尖銳度過大，聲品質(zhì)變差，即使噪聲的聲壓級并不大，但主觀感受仍然較差[1-2]，所以降低高頻噪聲是提升發(fā)動機聲品質(zhì)的關(guān)鍵所在。針對一款2L排量的四氣門高壓共軌柴油機，在前端輪系存在高頻噪聲過大的問題，本文利用現(xiàn)代噪聲信號診斷方法，確定高頻噪聲源，并進行改進，使發(fā)動機聲品質(zhì)得到大幅度提升。

1? 柴油機輻射噪聲頻譜分析

對柴油機的進氣側(cè)、排氣側(cè)、皮帶輪前端、缸蓋上端的1m噪聲信號對比分析發(fā)現(xiàn)，前端噪聲較大，且2400 r/min以上高速聲音尖銳，如圖1所示，聲品質(zhì)很差。對其頻譜分析如圖1，1000Hz以上高頻成分豐富，利用Artemis軟件對聲音各頻段進行濾波回放，發(fā)現(xiàn)1500-2500Hz是影響主觀感受的主要頻段。

通過聲學(xué)照相機對前端輪系進行聲源識別， 如圖2所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噪聲峰值主要出現(xiàn)在惰輪處附近。

2? 原因分析及改進

2.1 惰輪軸承防塵蓋板對噪聲的影響分析

通過對惰輪軸承結(jié)構(gòu)分析，其前、后防塵蓋板振動可產(chǎn)生高頻噪聲，防塵蓋板結(jié)構(gòu)如圖10所示;軸承自身高頻振動也會引起高頻噪聲。現(xiàn)對分別取消一個防塵蓋和兩個同時取消的三種方案進行噪聲對比。對比取消防塵蓋前后，惰輪近場處噪聲變化情況。測試時麥克風(fēng)正對惰輪，測量距離20mm的近場噪聲。

如圖3所示，取消后防塵蓋板近場惰輪噪聲在發(fā)動機2200-2800r/min范圍內(nèi)噪聲有顯著降低。由圖4和圖5的頻譜對比可知在2200-2800r/min發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，防塵蓋板在1400-1600Hz和2000-2400Hz兩個頻段幅值增大很多，聲壓級隨之變大，聲音尖銳度惡化。

2.2 軸承振動分析

軸承的振動信號和噪聲信號具有強相關(guān)性，可以通過檢測軸承安裝座和固定螺栓的振動信號來判斷軸承振動[3-4]，振動傳感器布置如圖15所示。（圖6-圖7）

固定螺栓振動信號法向XYZ三個方向振動均在2800轉(zhuǎn)以后開始突變，圖8。從圖9的固定螺栓徑向振動頻譜可見，高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生200-4000Hz的寬頻帶振動，說明軸承的振動導(dǎo)致高頻噪聲的產(chǎn)生。

通過對軸承的檢查，游隙偏大，但在公差范圍之內(nèi)。初步判斷軸承游隙導(dǎo)致軸承噪聲。鑒于此，對采用雙軸承結(jié)構(gòu)。圖10為單軸承和雙軸承結(jié)構(gòu)對比，單軸游隙0.1mm，雙軸承游隙0.05mm。

雙排軸承式惰輪對發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時噪聲有明顯改善效果。對頻譜進行分析，在1500-2500Hz處能量有明顯減弱，見圖11-圖13，能有效改善人耳主觀感受。通過對比可以采用此雙軸承結(jié)構(gòu)。

3? 軸承安裝座振動分析

軸承安裝基礎(chǔ)剛度薄弱也會引起軸承的過大振動，軸承安裝座處振動如圖6所示，垂直軸承座表面法向的振動在2800轉(zhuǎn)出現(xiàn)突變，在1400-1800Hz范圍內(nèi)有強烈共振并且夾雜著軸承振動。對軸承安裝座的結(jié)構(gòu)審核發(fā)現(xiàn)，在螺栓固定處為懸臂梁結(jié)構(gòu)，圖14紅色圈所示區(qū)域，安裝座為鋁合金材料，壁厚4mm，初步判斷結(jié)構(gòu)剛度不足。

針對此結(jié)構(gòu)采用模態(tài)分析方法檢查其剛度，計算得到懸臂梁處1階固有頻率276Hz，剛度不足。對此局部結(jié)構(gòu)進行加強，增加壁厚至5mm，同時將主要加強筋高度厚度同時加大，得到懸臂梁的1階固有頻率提升到653Hz。（圖15）

安裝支架剛度加強后對發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時噪聲有明顯改善效果。頻譜在1500-2500Hz處能量有明顯減弱，圖16-圖17對比可知，能有效改善人體主觀感受。

4? 結(jié)論

利用聲學(xué)照相機識別出發(fā)動機前端輪系在高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的高頻噪聲位置定位，之后對噪聲信號和振動信號進行頻頻分析，確定了軸承游隙過大和安裝支座的剛度不足是導(dǎo)致振動過大的原因。利用有限元分析技術(shù)對支架剛度進行提升，同時采用雙排軸承結(jié)構(gòu)方案，降低軸承在高轉(zhuǎn)速下的振動，進而降低高頻噪聲。

參考文獻：

[1]王甫江，劉巖，張曉娟.柴油機聲品質(zhì)客觀參量測試及分析[J].噪聲與振動控制，2014，34（4）.

[2]宋乃華，左言言，沈哲.汽車聲音品質(zhì)評價參數(shù)探討[J].噪聲與振動控制，2008，04.

[3]劉明輝.滾動軸承振動與噪聲機理研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2010.

[4]殷玉楓，張建水.結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承噪聲的影響[J].噪聲與振動控制，2014，34（1）.