發動機油底殼的模態試驗及優化設計

周斌

發動機油底殼的模態試驗及優化設計

周斌

（西昌學院汽車與電子工程學院，四川西昌615013）

以某轎車發動機油底殼為對象，通過混合建模方式（即簡易力學模型與模態試驗結合）對油底殼的動態特性進行研究，得到油底殼的模態頻率和振型。根據分析結果提出對油底殼的結構優化措施，并對改進后的油底殼進行模態分析和聲學驗證，結果表明：改進后的油底殼由于增加了剛度，降低了模態頻率密度，減少了發生共振的機會，油底殼輻射噪聲對整機噪聲貢獻率明顯降低。

油底殼；振動；噪聲；模態試驗；聲學驗證

0 引言

汽車發動機的噪聲主要包括進排氣噪聲、風扇噪聲、燃燒噪聲、機械噪聲等，隨著發動機向高速、輕型、大功率化發展，人們對發動機的振動噪聲更加關注。油底殼作為發動機的薄壁件，是發動機工作時振動輻射噪聲的主要來源之一，占總噪聲輻射的20%左右[1]。因此，對油底殼結構進行優化設計是降低發動機噪聲的重要措施。本文利用對某款發動機油底殼的混合建模方式（即簡易力學模型與模態試驗結合），得到其各階的傳遞函數和振動模態，確定其薄弱環節，對油底殼的結構進行優化設計，并通過試驗驗證改進結構的有效性。

1 油底殼的模態試驗

1.1 試驗方法

試驗采用捶擊法模態試驗方法，并結合系統軟件進行模態分析，模態試驗系統連接如圖1所示。

圖1 模態試驗測試系統

為了能夠真實反映油底殼振動的實際情況，充分顯示結構較高階模態振型，在油底殼上共布置了75個測點，如圖2所示。

圖2 油底殼測點布置

為了能夠得到與發動機實際工作相吻合的激振頻率，本試驗采用在整車上測得的多個激勵點激勵所得的若干列頻響函數來進行參數識別。選用Ploymax模態識別模塊，依據穩態圖進行模態頻率和模態阻尼的識別(圖3)。選用最小二乘復頻域方法進行模態振型值的計算。再利用模態置信因子(MAC)和模態參預因子對識別出的模態參數進行檢驗[2,3]。

圖3 PolyMax法精確提取模態參數

1.2 油底殼模態試驗結果分析

結構特性主要指振型、固有頻率和傳遞函數。對于一個確定的結構，在確定的激振點和響應點之間的傳遞函數是一個定值。發動機油底殼的剛度較差，通過其輻射的噪聲占據總輻射噪聲的20%左右。因此，測試油底殼不同部位的傳遞函數，合理進行結構改進，對降低整車的輻射噪聲顯得特別重要。

本文采用加速度傳感器測試不同測試點的傳遞函數，選取具有代表性的測點進行研究，找出油底殼的薄弱部位，進行結構改進。圖4～6是具有代表性的59測點、22測點和31測點的各階傳遞函數及模態擬合，圖7～10為油底殼的一階到四階振動模態。

圖4 第59點各階的傳遞函數bode圖及模態擬合

圖5 第22點各階的傳遞函數bode圖及模態擬合

圖6 第31點各階的傳遞函數bode圖及模態擬合

圖7 一階振動模態

圖8 二階振動模態

圖9 三階振動模態

圖10 四階振動模態

由傳遞函數和振動模態圖可以看出，在59測點位置油底殼的振動最為劇烈，各測點傳遞函數最大值均出現在1 200 Hz附近，且由于油底殼的壁厚比較薄，模態密度比較大[4]。

2 油底殼的結構改進及聲學驗證

2.1 油底殼的結構改進

根據以上分析，提出在油底殼相應部位增加加強筋的方法來改善油底殼的剛度，圖11為原油底殼的結構圖，圖12為改進后油底殼的結構圖，加強筋高度4 mm，寬度15 mm。

圖11 原油底殼

圖12 改進后油底殼

同樣對改進后的油底殼進行模態試驗與分析，得到改進前后的油底殼模態參數對比如表1所示。改進后的油底殼和改進前的油底殼模態對比發現，模態頻率有了較明顯的提高，模態密度變小，說明在某個頻率范圍內的模態頻率數量減少，發生共振的機會減小，對限制振動和減小輻射噪聲具有一定的作用。

表1 油底殼改進前后模態參數對比

2.2 油底殼改進后的聲學驗證

為了驗證改進后的油底殼對減少輻射噪聲的作用，本試驗采用國際通用的窗口法，排除其他部件對油底殼的影響，直接測量油底殼被發動機激勵后所發出的噪聲水平及其所占整機噪聲的貢獻率[5]。圖13為改進前油底殼的噪聲水平及占整機噪聲的貢獻率，圖14為改進后油底殼的噪聲水平及占整機噪聲的貢獻率，對比發現改進后油底殼輻射噪聲明顯降低，對發動機噪聲的貢獻率由8.3%降低到了5.3%。

圖13 改進前油底殼噪聲貢獻

圖14 改進后油底殼噪聲貢獻

3 結語

發動機的眾多零件中，油底殼是一個大面積的薄壁零件，剛度較低，在發動機的激勵作用下會產生較大的振動，對發動機的噪聲貢獻率較大。合理設計油底殼的結構，可以有效降低油底殼的振動和輻射噪聲。本文通過油底殼的混合建模方式，對油底殼進行的模態試驗和分析，根據試驗結果，找出油底殼的薄弱環節，提出油底殼的結構改進措施，并對改進前后的油底殼進行模態試驗對比和聲學試驗對比，驗證了改進油底殼的降噪減振作用。

[1]韓松濤.內燃機的振動噪聲控制及現代設計方法學研究[D].天津：天津大學，2002.

[2]襖德·海倫.模態分析理論與試驗[M].白化同,郭繼忠,等譯.北京：北京理工大學出版社，2001.

[3]袁衛平.內燃機噪聲測量不確定度[J].內燃機工程，2003(1):105-108.

[4]CATANIA A.E.A，AMBROSIO S.d，GUENNA G.M.et al.New Modeling for Reliable Evaluation of Parameter Variability Effects on Vehicle Fuel Consumption[C].SAE Paper，2007(1):0328.

[5]SHANGGUAN W-B,LU Z-H.Experimental Study and Simulation of a Hydraulic Engine Mount With Fully Coupled Fluid Structure Interaction Finite Clement Analysis Model.Comput Struct 2004,82，(22):1751-1771.

Modal Test and Optimization Design of Engine Oil Pan

ZHOU Bin
(School of Automotive and Electronic,Xichang College，Xichang,Sichuan 615013,China)

In this paper,the oil pan of engine is taken an example to study,analyses the dynamic characteristics by the method of hybrid modeling,gaining the modal frequency and vibration mode of the oil pan.According to the results,measures to improve the structure of the oil pan are put forward,and the modal analysis and acoustic test have been made.The results show that,by increasing the stiffness of the oil pan that makes modal frequency density decreases,it reduces the possibility of resonance occurring,oil pan radiation noise contribution rate decreased to engine noise.

oil pan;vibration;noise;modal test;acoustic test

TK401；U464

A

1673-1891（2016）01-0034-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.01.010

2015-11-12

周斌（1981—），男，四川西昌人，講師，碩士，研究方向：汽車發動機。