某發動機輻射噪聲優化及試驗驗證

徐小彬，邢金昕，曹立聰

某發動機輻射噪聲優化及試驗驗證

徐小彬，邢金昕，曹立聰

（華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧 沈陽 110141）

文章利用聲學邊界元理論，使用Virtual.Lab軟件分析發動機的輻射噪聲；然后在計算結果不滿足目標值的情況下提出了優化方案，并對方案進行仿真分析；最后通過試驗驗證了優化方案的可行性。通過仿真分析的方式，縮短開發周期，節約了研發成本。

發動機；輻射噪聲；Virtual.Lab；優化

前言

發動機是汽車的主要噪聲源，因此降低汽車噪聲總水平，應以控制發動機噪聲為主要目標，這也是各大主機廠高度重視發動機降噪的原因。按照發動機噪聲產生的機理分類，可分為空氣動力性噪聲、機械性噪聲、電磁性噪聲、燃燒噪聲四類。空氣性噪聲是由氣流波動引起的，如發動機進排氣、風扇等噪聲；機械噪聲是由固體振動產生的，如活塞缸套拍擊、配氣正時等噪聲；電磁噪聲是由磁場產生的，如發電機、電動機等噪聲；燃燒噪聲是由于燃燒產生的劇烈沖擊和爆發壓力產生。

本文以聲學原理和邊界元理論為基礎，首先計算了整機的輻射噪聲，發現結果不滿足目標值，然后通過對發動機缸體曲軸箱部分的結構進行優化，加強發動機輻射面薄弱部位的剛度，可提升發動機的輻射噪聲品質，最后通過試驗驗證了新方案的可行性。極大程度的縮短開發周期，節約研發成本。

1 搭建發動機仿真模型

1.1 有限元模型的建立

某型號發動機的三維結構模型由Pro/E軟件建立，通過Hypermesh軟件對其進行網格的劃分，其中，使用二階四面體網格劃分的有缸體、缸蓋、氣門室罩蓋、鏈輪室罩蓋、進氣歧管、排氣歧管還有鑄件支架等，而油底殼及其包含的擋油板用殼網格劃分，發動機的有限元模型如圖1所示。將部件的材料屬性分別賦予給各發動機部件。

圖1 發動機有限元模型示意圖

1.2 振動噪聲模型的建立

基于圖1所劃分的發動機有限元模型，利用LMS Virtual.Lab軟件和邊界元理論，建立發動機振動噪聲的聲學包絡網格，如圖2所示，此網格是一層緊貼在有限元網格上的一階四邊形殼網格，目的是將發動機振動傳遞到其聲學包絡網格上。

圖2 發動機振動噪聲的聲學網格

2 分析理論基礎

在計算發動機整機輻射噪聲的時候，不僅需要聲學有限元和邊界元理論，還需要使用到聲學傳遞向量ATV。ATV是系統的固有屬性，是結構法線方向的振動速度與場點聲壓之間的一種線性關系。在小壓力擾動的情況下，可以認為聲學方程式線性的，因此可以在輸入和輸出之間建立一種線性的關系，如果將結構表面離散成有限個單元，這樣在聲場中某點處聲壓為[1]：

式中，ATV為聲學傳遞向量，為結構表面法線方向上的振動速度，為角頻率。

3 結果計算及優化方案確定

3.1 仿真計算結果

利用EXCITE-PU軟件對曲軸動力學的建模計算可以得到發動機表面振動加速度作為聲學計算的輸入端，再通過Virtual.Lab計算得到的聲傳遞向量作為傳遞函數，最后便可以計算得到聲場中某點的聲壓值。

為了與試驗所用的五點法相驗證，在發動機聲學網格外建立一個距發動機各個端面1米的包絡網格如圖3所示，在包絡網格上選取氣門室罩蓋、鏈輪室罩蓋、進氣側、排氣側、油底殼相對應的場點作為計算聲壓級的結果提取點。計算得到不同轉速下，5個場點的平均聲壓級，圖4為4000rpm轉速下計算得到的各點聲壓級。

圖3 振動噪聲的邊界元模型

圖4 發動機4000rpm時各點平均聲壓級

計算得到的各個轉速平均聲壓級如表1所示，發現仿真結果在各個轉速下的整機平均聲壓級均高于目標值，需要對發動機進行進一步的優化以滿足目標值。

表1 各轉速下的整機平均聲壓值

3.2 優化方案確定

發動機噪聲的產生有三個要素存在：激勵源、傳遞路徑及響應，三者缺一不可。控制發動機噪聲的策略，首先確保不產生新噪聲源，其次是降低聲源的強度，最后是優化傳遞路徑，以及控制噪聲響應或者阻隔噪聲的傳遞。

根據以上優化噪聲的措施，并結合文章的具體實際案例出來，從噪聲源著手優化噪聲，需要進行更改燃燒室、優化配氣鏈條以及活塞缸套等設計參數，根源上確實能降低激勵，但是會影響發動機的動力性經濟性、排放等性能，對后續其他學科需要進行重新校核，優化的時間成本及生產成本會很高，因此，排除優化激勵源的方法；在發動機噪聲傳遞過程中采取采取相應的措施使其衰減，如增強結構剛度和阻尼、減少噪聲輻射面積及添加隔聲裝置，并且此措施不會對發動機其他性能產生影響，優化的方案可行性比較高。

綜上所述，通過對發動機缸體輻射表面增加加強筋，達到提高發動機整體的剛度，降低發動機表面振動激勵，并且將發動機固有頻率提高，使其遠離強迫振動的頻率段范圍，具體優化結構如圖5所示，分析結果見圖6。

通過分析結果圖7發現，優化后的整體平均聲壓值得到了明顯的改善。與優化前相比，4000rpm轉速下，整體平均聲壓值降低了5dB(A)；5500rpm轉速下，整體平均聲壓值降低了6dB(A)；6000rpm轉速下，整體平均聲壓值降低了5dB(A)。此優化方案在中高轉速時的降噪效果明顯。

圖5 優化前后方案圖示

圖6 優化后發動機不同轉速下平均聲壓級

圖7 優化前后整機平均聲壓值對比

4 試驗驗證

對優化前后的樣機進行振動噪聲測試。通過優化前后數據的對比，驗證發動機整機聲學仿真模型的合理性。利用五點法測試出各個轉速下對應的氣門室罩蓋頂端、發動機前端、進氣側、排氣側、油底殼底部的一米噪聲結果。

圖8 試驗得到優化前后整機平均聲壓值對比

如圖8所示，從對比結果中得出，優化后的整機輻射噪聲明顯好于優化前的噪聲。在4000rpm時降低2dB(A)；5500rpm轉速下，整體平均聲壓值降低了4dB(A)；6000rpm轉速下，整體平均聲壓值降低了5dB(A)。整體表現在中高轉速下優化效果明顯，與仿真值的結果基本吻合，說明發動機有限元模型及噪聲邊界元模型是可信的。

圖10 試驗得到優化前后頻譜圖

如圖9的優化前后的頻譜所示，在600Hz-8000Hz范圍內優化效果明顯，整體表現在中高頻率優化效果顯著。

5 結論

隨著當今國內乘用車市場日漸成熟，客戶對于汽車的需求也在逐步的提高，由以前的單純的關注汽車可靠性轉變為更加注重乘車的舒適性和駕乘體驗。汽車的整機NVH性能還有研發周期的長短是決定著企業能否持續發展的關鍵。在研發階段運用仿真與試驗相結合的方式極大的縮短了研發周期，控制著生產成本。本文首先對發動機整機噪聲進行計算；然后對發動機結構進行優化，降低其輻射噪聲；最后通過試驗驗證了仿真結果的正確性，有效的改善整車NVH性能，對于提高駕乘的舒適性有著重要意義。

[1] 李增剛,詹福良.Virtual.Lab Acoustics[M].北京:國防工業出版社, 2006:95-125.

Optimization and test verification of radiated noise of engine

Xu Xiaobin, Xing Jinxin, Cao Licong

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, CAE Engineering Section, Liaoning Shenyang 110141 )

In this paper, the radiated noise of engine is analyzed by use of acoustic boundary element theory and Virtual.Lab software.Then the optimization scheme is proposed when the result of calculation does not meet the target value,and the scheme is simulated and analyzed.Finally,the feasibility of the optimization scheme is verified by tests.By means of simulation analysis,the research development cycle is shortened and development cost is saved.

engine; radiated noise; Virtual.Lab; optimization

U467

A

1671-7988(2019)13-117-03

U467

A

1671-7988(2019)13-117-03

徐小彬，男，碩士研究生，動力總成組主管（主任工程師），中級工程師，就職于華晨汽車工程研究院CAE工程室，主要研究發動機結構有限元、發動機多體動力學方向及發動機振動噪聲等領域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.040