降低氣門落座沖擊引起的發(fā)動機噪聲

王貴富 楊惠東 梁偉強 左支柳

五羊-本田摩托（廣州）有限公司 廣東省廣州市 511356

機動車噪聲是噪聲污染的主要來源，摩托車發(fā)動機外露于大氣中，其產(chǎn)生的聲音直接影響環(huán)境噪聲，因此降低摩托車發(fā)動機噪聲對環(huán)境的影響是重要課題。摩托車發(fā)動機噪聲包括燃燒噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲、機械噪聲及表面輻射噪聲等。本文對一款發(fā)動機的噪聲源進行分析研究，通過減小發(fā)動機氣門的落座沖擊力，從而降低了發(fā)動機的機械噪聲和表面輻射共振噪聲。

1 現(xiàn)象和噪聲源定位

某款OHV發(fā)動機車型，整車在行駛過程中，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速運行在6200～6400rpm的工況時，發(fā)動機右側(cè)區(qū)域會有很大的噪聲，對騎行人員體驗感很不好。為了找出產(chǎn)生噪聲的部位，采用噪聲源定位測量方法，在發(fā)動機的右側(cè)區(qū)域進行測量，試驗工況：整車駐車狀態(tài)，空檔時加油門使發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6350rpm時進行測量。測量的噪聲源定位云圖如圖1，從圖中可以看出，噪聲最大的部位發(fā)動機氣缸蓋和氣缸體區(qū)域。

圖1 噪聲源定位云圖

2 噪聲產(chǎn)生的原因解析

2.1 噪聲的頻譜試驗及分析

為了分析噪聲產(chǎn)生的原因，對發(fā)動機噪聲最大區(qū)域，進一步測量了發(fā)動機各轉(zhuǎn)速的聲音頻譜云圖，測量工況是整車駐車狀態(tài)，空檔時轉(zhuǎn)速從2000 rpm～8000rpm逐漸加速的過程,麥克風位置放在發(fā)動機氣缸蓋右側(cè)距離200mm處。采集了麥克風的聲壓信號并進行FFT頻譜分析。測量結(jié)果如圖2。

圖2 聲音頻譜云圖

從聲音頻譜云圖分析，在6000rpm以上，1階的聲音頻譜比較亮，表明1階的聲音較大，并且隨轉(zhuǎn)速增加頻率升高，說明1階的聲音與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)；另外，在高頻5170Hz、6000Hz頻率附近聲音頻譜明顯比較亮，并且隨轉(zhuǎn)速變化，頻率不變，說明噪聲中有5170Hz、6000Hz共振噪聲。

從聲音頻譜云圖中，選擇轉(zhuǎn)速6360rpm時的頻譜曲線分析，如圖3，圖中106Hz的基頻噪聲較大。發(fā)動機轉(zhuǎn)速的頻率f0=Ne/60=6360/60=106Hz，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的頻率106Hz與基頻106Hz相同，表明該噪聲是由與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同頻率的激勵力產(chǎn)生的1階噪聲，可以推測：在發(fā)動機運動部件中，產(chǎn)生106Hz激勵力部品，可能是氣門落座沖擊力，因為在發(fā)動機中進氣門、排氣門每二圈各產(chǎn)生一次落座沖擊力，但進氣門和排氣門是分別在不同時刻產(chǎn)生落座沖擊，所以氣門落座沖擊(包括進氣門和排氣門)的頻率與轉(zhuǎn)速頻率f0相同，即氣門落座力的頻率正好與基頻噪聲頻率106Hz相同。

圖3 6360rpm的頻譜曲線

除基頻外，聲音頻譜中高頻噪聲5170Hz和6000Hz的比較高，這兩個頻率與基頻106Hz的倍數(shù)分別是48.7和60倍，說明這兩個頻率的高頻噪聲與氣門落座力沖擊相關(guān)。因為噪聲與振動密切相關(guān)的，推測5170Hz和6000Hz高頻噪聲是由于氣缸蓋散熱片的振動引起的，為了證驗高頻噪聲與振動的關(guān)系，分別在發(fā)動機葉片的不同部位安裝振動加速度傳感器，測量工況整車駐車空檔狀態(tài)，發(fā)動機緩慢加速從2000 rpm～8000rpm之間進行測量。選擇其中的某測量點，該點的振動頻譜與噪聲頻譜最相近(因為缸蓋散熱片形狀各異，每一點的振動頻譜不盡相同)，該點測量結(jié)果如圖4所示，表示發(fā)動機加速過程中該點的振動加速度總值。

圖4 氣缸蓋散熱葉片的振動加速度

從圖4可以看出，散熱片的振動隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，特別是在5000rpm以上轉(zhuǎn)速，振動加速度的增加速率增大，并且在6100rpm附近時有振動峰值，此振動的峰值與6300rpm附近噪聲值較大相對應，說明發(fā)動機噪聲大與散熱片振動有直接關(guān)系。為進一步分析散熱片的振動，選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速6360rpm時的振動測量結(jié)果進行FFT分析，結(jié)果如圖5：發(fā)動機散熱片6360rpm的振動頻譜曲線。

圖5 氣缸蓋散熱葉片的振動頻譜曲線

由圖5中可以看出，氣缸蓋散熱片振動的頻譜中，在頻率5170Hz、6000Hz附近的振動出現(xiàn)比較大的峰值，峰值中心的振動頻率與噪聲的高頻段的頻率相一致,驗證了上文的推測：噪聲頻譜中的高頻噪聲成分是散熱片的振動引起的。因為散熱片是多片狀結(jié)構(gòu)，每片的大小及長度不同，所以局部模態(tài)的頻率較多，這樣在受到激勵力作用時，就會受迫振動引起不同頻率的高頻噪聲。

分析至此，散熱片受到激勵力時會產(chǎn)生高頻噪聲，是不可避免，并且受的激勵力越大，產(chǎn)生的噪聲越大，另外，當激勵力頻率與散熱片的模態(tài)頻率一致時，產(chǎn)生共振噪聲。所以，為了減小噪聲，需要減小激勵，為此，需分析導致散熱片共振的激勵力的來源。

2.3 引起噪聲的激勵力分析

根據(jù)以上分析和推測，氣門的落座沖擊可能是產(chǎn)生噪聲的激勵源，為此，需要測量驗證氣缸蓋振動激勵力。測量的方式：把振動傳感器安裝在氣缸蓋上，因為氣缸蓋部位是噪聲較大區(qū)域，通過測量氣缸蓋振動加速度來尋找導致噪聲的激勵源。測量工況：把摩托車安裝在整車底盤設備上，發(fā)動機不點火狀態(tài)，用測功機拖動摩托車后輪使發(fā)動機穩(wěn)定在6360rpm的轉(zhuǎn)速。把振動信號與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動時序信號同時采集數(shù)據(jù)，氣門開啟、關(guān)閉的時間通過曲軸轉(zhuǎn)動時序信號同步表示在圖示中，結(jié)果如圖6。排氣門落座時對應加速度值B點，進氣門落座時對應加速度值A(chǔ)點，可以發(fā)現(xiàn)，在排氣門落座及進氣門落座時刻的振動加速度明顯有振動峰值，說明氣門落座的落座沖擊力很大，其中進氣門的落座沖擊力比排氣門的落座沖擊力大，因為進氣門的質(zhì)量大于排氣門。從測量結(jié)果可以計算出氣門落座沖擊力的頻率與聲音基頻106Hz相一致。由此可驗證了上面的推測，氣門落座沖擊力是產(chǎn)生噪聲的激勵源。

圖6 缸蓋振動與氣門開關(guān)的關(guān)系

3 改善對策及效果

通過上文對噪聲產(chǎn)生的原因分析可知，噪聲是由發(fā)動機氣門落座沖擊產(chǎn)生的機械噪聲和氣缸蓋散熱片受到氣門落座沖擊力產(chǎn)生的共振噪聲。通過減小激勵力、增加阻尼、增厚散熱片以改變其共振頻率避免共振發(fā)生等，都是減小噪聲的方法，本文采用了減小氣門的落座沖擊，降低產(chǎn)生振動噪聲激勵力，從而降低發(fā)動機噪聲的方法。

3.1 凸輪輪廓線改進設計及計算

影響氣門落座沖擊力的主要因素是凸輪輪廓線的緩沖段曲線，為此，對凸輪輪廓線下降行程的緩沖段曲線進行優(yōu)化設計，如圖7。目的是降低氣門落座時的速度，從而減少氣門落座瞬間沖擊力。

圖7 凸輪型線下降行程的緩沖段曲線

對改善前與改善后的凸輪軸，進行了運動學和動力學的模擬仿真，計算了氣門落座時的速度和落座力，結(jié)果如圖8、圖9，從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改善前氣門落座時，氣門的速度為0.35m/s,氣門第1次落座后被反彈后又進行2次的落座，最大落座力為890N；改善后氣門落座時速度為0.17m/s沒有發(fā)生反彈情況，最大落座力降低為620N,所以,優(yōu)化后的凸輪輪廓線可以降低氣門落座力,從而減小振動噪聲的產(chǎn)生。

圖8 改善前氣門速度及落座力

圖9 改善后氣門速度及落座力

3.2 改善后數(shù)據(jù)測量及驗證

按新凸輪輪廓線試制了樣品，并進行了整車振動和噪聲的測量。

3.2.1 氣缸蓋振動加速度對比

通過測量改善前與改善后氣缸蓋振動加速度，間接地反映了氣門落座沖擊力大小變化。工況Ⅰ：同2.3中的測量工況，使發(fā)動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在6360rpm時，測量氣缸蓋振動加速度，測量結(jié)果如圖10?？梢钥闯觯纳坪蟮耐馆嗇喞€明顯可以降低氣門落座時氣缸蓋的振動加速度；工況Ⅱ：發(fā)動機緩慢加速從2000 rpm～8000rpm之間，測量各發(fā)動機轉(zhuǎn)速時的氣缸蓋振動總值，如圖11，同樣看出，在全部發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，氣缸蓋的振動都降低了。

圖10 改善前、后氣缸蓋振動過程值

圖11 改善前/后氣缸蓋加速度總值

3.2.2 噪聲頻譜及頻譜云圖的比較

改善前與改善后聲音頻譜(發(fā)動機轉(zhuǎn)速6360rpm時)比 較，如 圖12。基 頻 噪聲106Hz由75dB降低到72dB；高頻噪聲5170Hz由77dB降 低到69dB；高頻噪 聲6000Hz由76dB降低到68dB。

圖12 改善前/后聲音頻譜

通過測量改善前與改善后聲音頻譜云圖進行對比，如圖13、圖14?？梢钥闯觯纳魄邦l譜云圖的5170Hz和6000Hz明顯亮度高(噪聲大)，改善后的頻譜云圖在高頻噪聲明顯降低很多。

圖13 改善前聲音頻譜云圖

圖14 改善后聲音頻譜云圖

3.2.3 噪聲的主觀感覺

整車狀態(tài)，通過對比改善前后噪聲主觀感覺，噪聲水平明顯降低，主觀評價由6分提升到7.5分。說明改善對策有效。

4 結(jié)論

（1）氣門落座沖擊(進氣門和排氣門)的頻率與轉(zhuǎn)速的頻率相同。

（2）氣門落座沖擊使氣缸蓋產(chǎn)生機械噪聲，機械噪聲的頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速頻率相同。

（3）氣缸蓋的散熱片在受到氣門落座沖擊力作用時，產(chǎn)生共振和高頻共振噪聲。

（4）通過優(yōu)化凸輪輪廓線緩沖段的曲線，減小氣門落座時速度和落座沖擊力，可以有效降低由落座沖擊引起的噪聲。