渦輪增壓直噴汽油機變速器噪聲的試驗研究*

劉凱敏，楊 靖，朱繼明，馮仁華,2，劉敬平，李 克

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.重慶理工大學，汽車零部件及先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

2016081

渦輪增壓直噴汽油機變速器噪聲的試驗研究*

劉凱敏1，楊 靖1，朱繼明1，馮仁華1,2，劉敬平1，李 克1

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.重慶理工大學，汽車零部件及先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

本文利用鉛覆蓋對某渦輪增壓直噴汽油機各轉速下空載加速和滿載加速工況進行了變速器噪聲試驗研究。結果表明：發動機的負荷對變速器噪聲影響較大，隨著負荷的增加，變速器噪聲也增加。空載加速時，變速器噪聲較小，其他噪聲占主要成分。滿載加速時，變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度隨著轉速的增加先升高后降低。同一負荷下，隨著轉速的增加，變速器噪聲也增加。總體上看，空載和滿載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的平均貢獻率分別為19.2%和29.1%。

汽油機；變速器噪聲；試驗研究；發動機負荷；噪聲貢獻度

前言

汽車噪聲已經成為環境噪聲污染的主要來源之一，其大小是衡量汽車質量水平的重要指標，因此，汽車噪聲控制是目前世界汽車工業的一個重要課題[1-3]。

汽車噪聲由各零部件產生的噪聲共同組成，而變速器是汽車的重要傳動部件。理論與試驗研究均表明：變速器的噪聲是汽車噪聲的一個重要組成部分[4]。變速器噪聲的發生機理相當復雜，它產生的主要原因是氣缸內的高壓氣體周期性變化，從而導致發動機結構的振動，然后傳遞到變速器表面輻射出來。變速器噪聲受變速器速度和發動機缸內壓力升高率等因素的影響，并且和發動機的動力性、經濟性和排放性密切相關[5]。

不同類型的噪聲其控制方法也不同，因此，有效地分離各種噪聲成份，識別它們對整機噪聲聲功率的貢獻度，對采用合理和有效的措施控制不同類型的噪聲成分乃至整機的輻射噪聲具有十分重要的意義[6]。所以，正確識別和分離發動機的變速器噪聲是進行發動機噪聲控制的一個重要基礎[7]。常用的聲源識別方法有：主觀評價法、鉛覆蓋法、分別運行法、信號分析法、表面振速測量法和聲強測量法[8]。本試驗研究以某渦輪增壓直噴汽油機為研究對象，采用鉛覆蓋法對該汽油機在各轉速下的空載和半載工況變速器噪聲進行測量和分析，研究了不同轉速、不同負荷下該汽油機變速器噪聲情況。為該發動機變速器噪聲的進一步分析和優化提供了支持和指導。

1 發動機變速器噪聲分離

1.1 鉛覆蓋法簡述

鉛覆蓋法是利用鉛板將整個發動機或一些主要的聲源包裹起來，由于鉛是一種高阻尼材料，所以在理想情況下發動機完全用鉛包覆以后，輻射的聲功率級接近于零。在覆蓋表面與鉛板之間安裝吸聲材料(玻璃纖維)以隔振，防止回響的形成。然后將發動機某一部分表面暴露出來，該部分噪聲將顯著增加，通過計算即可推出發動機各個部分輻射噪聲的大小，從而找出主要的噪聲源[9]。鉛覆蓋法一般要求在消聲室或混響室內進行。

1.2 變速器噪聲分離計算

發動機變速器噪聲分離也可采用分別運轉消去法，主要步驟為：首先測量發動機的總體噪聲，然后對需要識別的發動機部位，通過用鉛覆蓋或暫時停止其工作的方法控制其噪聲輻射，最后根據聲壓級或者聲功率疊加原理，從兩次的測試結果計算出這部分輻射噪聲的大小。

在進行發動機變速器噪聲分離試驗時，分別測量變速器包覆鉛板(厚2mm)前后，發動機在所研究工況下進氣側、排氣側、前側面、后側面和頂側面的1m聲壓級和油底殼下方25cm處的聲壓級，從而算得變速器噪聲的貢獻值。

根據發動機前、后、上、左、右和油底殼下方6個傳感器測得的聲壓值，計算1m平均聲壓級。

(1)

對應的聲功率級為

LW=LP+lgr+11

(2)

式中：LW為聲功率級，dB(A)；r為測點距離，m。

而聲功率為

W=10(0.1LW-12)

(3)

式中W為聲功率，W。

變速器噪聲聲功率對整機噪聲的貢獻度為

(4)

式中η為變速器噪聲對整機的貢獻度。

2 變速器噪聲試驗設備及過程

2.1 發動機基本參數和測試設備

試驗發動機為某立式、直列、水冷、四行程、廢氣渦輪增壓、缸內直噴汽油機，其基本參數如表1所示。

表1 試驗發動機基本參數

噪聲源識別試驗在天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室振動和噪聲實驗室中進行。其長×寬×高尺寸為11.4m×7.2m×6.9m。用吸聲尖劈覆蓋四周的墻壁和頂棚，地面為平整的水泥地面。該試驗室不受風速的影響，最低背景噪聲只有18dB。主要試驗設備如表2所示。

表2 主要試驗設備

2.2 試驗過程

本次發動機變速器噪聲試驗主要以穩定轉速下發動機拖動噪聲的測試為主，測試時首先使發動機達到國標規定的工作狀態，發動機的水溫和油溫上升到發動機正常工作時的溫度，然后將發動機拖動到穩定測試工況，分別對發動機各轉速下空載加速和滿載加速兩種工況下的變速器噪聲進行測試。

發動機前、后、上、下、左、右6個面的邊緣包絡面示意圖如圖1所示，變速器包裹后如圖2所示。

圖1 測試表面矩形包絡面

圖2 變速器包裹后狀態圖

3 變速器噪聲試驗結果

3.1 空載加速變速器噪聲試驗結果

圖3～圖7為發動機空載加速工況下進氣側、排氣側、前側面、后側面和頂面變速器噪聲1m聲壓級測試結果，圖8為發動機空載加速工況下油底殼下方25cm處變速器噪聲的聲壓級測試結果。圖9為空載加速時變速器噪聲1m平均聲壓級曲線，圖10為空載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度。

圖3 空載加速時進氣側變速器噪聲

圖4 空載加速時排氣側變速器噪聲

圖5 空載加速時前側面變速器噪聲

圖6 空載加速時后側面變速器噪聲

圖7 空載加速時頂面變速器噪聲

圖8 空載加速時油底殼下方25cm處變速器噪聲

圖9 空載加速時變速器噪聲1m平均聲壓級

圖10 空載加速時變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度

從圖3～圖8中可以看出，發動機空載加速時，變速器噪聲隨著轉速的增加總體呈現上升趨勢，但個別轉速，如3 600和3 800r/min也有噪聲下降的現象。變速器噪聲對排氣側的貢獻量最小，對進氣側的貢獻度最大。從圖9可以看出，變速器噪聲隨發動機轉速的變化趨勢和各個側面的變化基本相同；由圖10可見，空載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度隨著轉速的增加變化不大，在10.7%～27.6%范圍內波動。

3.2 滿載加速變速器噪聲試驗結果

圖11～圖15為發動機滿載加速工況下進氣側、排氣側、前側面、后側面和頂面的變速器噪聲1m聲壓級測試結果。圖16為發動機滿載加速工況下油底殼下方25cm處變速器噪聲的聲壓級測試結果。圖17為滿載加速時變速器噪聲1m平均聲壓級曲線，圖18為滿載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度。

圖11 滿載加速時進氣側變速器噪聲

圖12 滿載加速時排氣側變速器噪聲

圖13 滿載加速時前側面變速器噪聲

圖14 滿載加速時后側面變速器噪聲

圖15 滿載加速時頂面變速器噪聲

圖16 滿載加速時油底殼下方25cm處變速器噪聲

圖17 滿載加速時變速器噪聲1m平均聲壓級

圖18 滿載加速時變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度

從圖11～圖16中可以看出，發動機滿載加速時，變速器噪聲隨著轉速的增加總體上呈現上升趨勢。從圖17可以看出，變速器噪聲隨發動機轉速的變化趨勢和各個側面的變化基本相同，在低轉速時，變速器噪聲很小，但在中低轉速變速器的噪聲有較大幅度的提高，在2 400～3 400r/min轉速范圍內，變速器的噪聲聲壓級差不多和包裹后的發動機噪聲相當，在高轉速時，發動機變速器噪聲的1m平均聲壓級變化不大。由圖18可以看出，滿載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度隨著轉速的增加先升高后降低，在低速時，其貢獻值不到10%，但是在中等轉速，特別在2 400～3 400r/min轉速范圍內的貢獻值較大，其貢獻值在39.8%～47.3%范圍內波動。這主要是因為滿載時，該渦輪增壓直噴汽油機在2 400～3 400r/min轉速范圍內產生較大的轉矩，變速器所承受的負載較大，導致變速器噪聲對整機噪聲聲功率貢獻度較大。

3.3 不同負載下變速器噪聲對比

圖19為空載和滿載加速時的變速器噪聲1m平均聲壓級對比，圖20為空載和滿載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度對比。

圖19 不同負載下變速器噪聲1m聲壓級對比

圖20 不同負載下變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度對比

由圖19可以看出，發動機的負荷對變速器噪聲影響較大，隨著負荷的增加，變速器噪聲也增加；由圖20可以看出，在低轉速時，隨著發動機負荷的增加，變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度降低，但是在中等轉速時，發動機負荷越大，變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度越大。在高轉速時，變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度隨著負荷變化的影響不明顯。總體上看，滿載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度比空載加速時大很多，空載和滿載加速時變速器噪聲對整機聲功率的平均貢獻值分別為19.2%和29.1%。

4 結論

通過對各轉速下下發動機空載和滿載時的變速器噪聲試驗研究，得出以下幾點結論。

(1) 發動機的轉速對變速器噪聲影響較大。同一負荷下，隨著轉速的增加，變速器噪聲也增加。

(2) 發動機的負荷對變速器噪聲影響較大，隨著負荷的增加，變速器噪聲也增加，而且變速器噪聲對整機聲功率的貢獻度也增加，特別是在中高轉速影響較大。

(3) 在空載加速時，變速器噪聲較小，其他噪聲占主要成分，變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度隨著轉速的增加變化不大，其貢獻值在10.7%～27.6%范圍內波動。

(4) 在滿載加速時，變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度隨著轉速的增加先升高后降低。在2 400～3 400r/min這段轉速范圍內，其貢獻值在39.8%～47.3%范圍內波動。

(5) 總體上看，滿載加速時變速器噪聲對整機噪聲聲功率的貢獻度比空載加速時大很多，空載和滿載加速時變速器噪聲對整機聲功率的平均貢獻值分別為19.2%和29.1%。

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An Experimental Study on the Transmission Noise ofa Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

Liu Kaimin1, Yang Jing1, Zhu Jiming1, Feng Renhua1,2, Liu Jingping1& Li Ke1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082； 2.ChongqingUniversityofTechnology,KeyLaboratoryofAdvancedManufactureTechnologyforAutomobileParts,MinistryofEducation,Chongqing400054

In this paper, an experimental study on transmission noise is conducted under no-load and full-load acceleration conditions at different rotation speeds of a turbocharged gasoline direct injection engine with lead-covering technique. The results show that engine loads have significant effects on transmission noise. Transmission noise rises with the increase of engine load. At no-load acceleration, transmission noise is relatively low with other noises dominating the major components. At full load acceleration, with the increase of engine speed, the contributions of transmission noise to the overall sound power of engine noise rise first and then fall. Under same engine load, transmission noise increases with the rise of engine speed. On the whole, the average contribution rates of transmission noise to the overall sound power of engine noise at no-load and full load accelerations are 19.2% and 29.1% respectively.

gasoline engine; transmission noise; experimental study; engine load; noise contribution

*國家863計劃項目(2012AA111703)和湖南省研究生科研創新項目(CX2015B088)資助。

原稿收到日期為2014年12月19日，修改稿收到日期為2015年3月25日。