某發動機正時蓋罩輻射噪聲優化的研究

李 凱,王金立,張立慶,王 強

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心,合肥 230601）

0 前言

噪聲已被公認為一種重要的環境污染。國內外都制定了許多有關噪聲控制的標準和法規。人們對整車舒適度要求不斷提高，降噪是提高整車舒適度的方法之一，所以發動機降噪逐漸被重視起來[1]。發動機正時罩殼具有薄壁件和大平面的特點，所以發動機前方往往是主要的噪聲輻射方向。

某發動機在試驗開發過程中發現，前方是主要的噪聲源。通過頻譜分析，噪聲源識別，確定正時蓋罩共振輻射噪聲是前方主要噪聲源[3]。通過CAE計算及分析確定了優化方案：

（1）上正時蓋罩加筋處理，同時在中間位置增加固定螺栓。

（2）下正時蓋罩加筋處理。通過試驗驗證，正時罩殼大大降低了發動機前方和整機噪聲水平。

1 問題描述

試驗是在發動機半消聲室里進行，臺架布置如圖1。在發動機進氣側、排氣側、上方和前方各布置一個麥克風，距離發動機1m。

圖1 臺架布置圖

發動機全負荷加速工況記錄四個方向的噪聲，試驗結果如圖2。從試驗結果可以看出發動機四個方向中，發動機前方噪聲最大，較其余三個方向大3-6dBA左右，占整機輻射噪聲的50%以上，是主要的噪聲輻射源。因此發動機的前方是NVH優化優先考慮的方向。本文主要是以發動機前方正時蓋罩為研究對象，對發動機進行降噪。

圖2 發動機四個方向噪聲

2 問題分析

2.1 頻譜分析

發動機前方噪聲頻譜存在兩處明顯的共振噪聲，中心頻率分別為1015Hz、1740Hz。通過數字濾波回放，兩處共振噪聲能量均較大，1015Hz頻帶噪聲更加突出，整機聲品質較差。所以必須找出兩處共振噪聲的源頭，才能針對性的進行整改，對發動機進行降噪。

2.2 噪聲源識別

發動機噪聲源識別的方法很多；文中只列舉了近場測量法，表面振動測量法，基于Beamforming聲源識別法。

近場測量法：在發動機上下正時蓋板中心位置各布置一個近場麥克風，距離蓋罩的輻射面0.3m。試驗表明1015Hz頻帶噪聲主要是由上正時蓋罩振動輻射產生，1740Hz頻帶噪聲主要是由下正時蓋罩振動輻射產生，如圖3。

圖3 發動機上、下正時蓋罩噪聲colormap圖

表面振動測量法：在發動機上下正時蓋板中心位置均布置了振動傳感器。從colormap圖上可以看出，上正時蓋罩上沿著發動機曲軸軸線方向存在1015Hz的結構共振，下正時蓋罩上存在1740Hz的結構共振。所以可以推斷1015Hz頻帶的噪聲是由發動機上正時蓋罩共振輻射產生；1740Hz頻帶噪聲主要是由發動機下正時蓋罩共振輻射產生。

聲源定位測量法：發動機前方1015Hz共振噪聲位于發動機上正時蓋罩中心處。1740Hz共振噪聲位于發動機下正時蓋罩中心的位置通過試驗數據分析，發動機正時蓋罩存在明顯的共振，對前方噪聲貢獻較大。

3 正時蓋板有限元建模及模態分析

首先建立有限元模型，包括發動機上下正時蓋罩、部分機體、部分缸蓋、部分凸輪軸蓋。有限元模型由HyperMesh劃分，網格類型選擇C3D10，計算采用ABAQUS解算器。

因正時罩為薄壁件，相比之下機體剛性很大，為此對蓋板進行約束模態分析。蓋罩與機體的結合面設定邊界接觸。計算結果與上述試驗結果一致，正時蓋罩的前兩階階模態頻率為1048Hz、1812Hz，與測試結果中的上下蓋板的振動頻率相接近，而且振動位置吻合，均為正時蓋罩中間區域的局部鼓動。通過以上現象分析表明，正時蓋板在中間區域缺少固定支撐和加強筋，導致蓋板的局部剛度較低，在外部載荷的激勵下，容易引起明顯的振動響應。

設置設計變量為優化區域，響應為前兩階固有頻率及體積比，目標函數為體積比最小，約束條件為第1、2階模態固有頻率。采用拓撲優化技術進行分析得到初步的優化結果。根據優化區域拓撲圖，結合零件的加工工藝及裝配約束，對原始模型進行修改得到正時蓋罩的最終優化模型。上正時蓋板原蓋板的基礎上采用滿布式方形加強筋，同時在蓋板的中心位置添加了固定螺栓，下正時蓋罩增加加強筋。CAE分析顯示一階模態頻率提高到了1698Hz，提高了70%，下蓋罩模態頻率提高到2000Hz以上，較原正時蓋板模態明顯提高。

4 試驗驗證

4.1 單體模態試驗結果

在正時蓋罩表面劃分響應點，并進行標記，響應點應盡量避開物體的振動節點。在蓋罩外表面依次選取40個響應點，采取移動振動傳感器，單輸入多輸出的方式進行激勵測試。由于模態試驗測的是自由模態，本次只對比整改前后7-10階模態頻率的變化，即正時蓋罩剛度的變化。從試驗結果可以看出，整改件7-10階模態頻率提高20%以上。

4.2 噪聲振動試驗結果

將優化后的上下正時蓋罩進行試驗驗證?？疾靸灮桨傅臏蚀_性及優化效果。試驗表面，優化后的上正時蓋罩的一階共振頻率為1650Hz，下正時蓋罩在2000Hz以內無共振，試驗結果與仿真結果基本一致。發動機前方噪聲平均降低1-2dB（A），四方平均噪聲降低約0.5-1dB（A），有效解決了發動機前方噪聲大的問題，同時提高了整機的聲品質。

5 結束語

本文針對發動機前方噪聲大的問題，通過頻譜分析，噪聲源識別，確定了發動機前方噪聲大是由于發動機前方上下正時罩殼的共振輻射噪聲造成，結合CAE優化分析與試驗相結合的方法，最終發動機前方噪聲平均降低1-2dB（A），發動機整體噪聲降低了0.5-1dB（A）,同時在其他機型的開發中也具有借鑒意義。

[1]吳炎亭.內燃機噪聲振動與控制[M].北京:機械出版社,2005:1-64.

[2]陳楠.汽車振動與噪聲控制[M].北京:人民交通出版社.2005:1-30.

[3]龐劍,何華.汽車噪聲與振動—理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2006:178-180.