柴油機缸蓋罩動態(tài)特性分析與改進

孟浩東，王 勇，廖連瑩，白翠平

（1.常州工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

柴油機缸蓋罩是柴油機表面輻射噪聲源的主要輻射部件，具有表面積大、剛度低等特性，受到柴油機燃燒與機械振動激勵后，薄弱結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生振動響應(yīng)而輻射較大噪聲。從激勵源傳遞路徑入手，要控制缸蓋罩的結(jié)構(gòu)振動與噪聲，關(guān)鍵是分析缸蓋罩的振聲動態(tài)響應(yīng)特性，找到影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié)[1]。

在柴油機薄壁件結(jié)構(gòu)動態(tài)特性研究方面，目前主要借助于試驗測試手段和仿真分析工具，采用有限元法、邊界元法等計算方法結(jié)合試驗識別方法進行研究[2-6]，文獻[4]在開發(fā)新型歐5 柴油機時，為改善其振動與噪聲性能，采用試驗和仿真相結(jié)合的方法改進了罩殼以及油底殼等薄壁件結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。文獻[5]建立了缸蓋罩多體動力學(xué)模型計算了缸蓋罩振動響應(yīng)并進行了試驗驗證，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)聲品質(zhì)評價結(jié)果找到了影響聲品質(zhì)的缸蓋罩關(guān)鍵模態(tài)，并對其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行了優(yōu)化。文獻[6]采用仿真分析與結(jié)構(gòu)振動聲輻射理論相結(jié)合的方法，對某型柴油機缸蓋罩的振動響應(yīng)和輻射噪聲進行了預(yù)測，識別了結(jié)構(gòu)振動薄弱環(huán)節(jié)，提出了局部加厚的結(jié)構(gòu)改進方案。

針對某四缸柴油機缸蓋罩的動態(tài)特性開展識別研究，采用頻譜分析法與近場聲壓掃描法相結(jié)合的方法，分析穩(wěn)定工況下影響柴油機缸蓋罩振動與噪聲的動態(tài)響應(yīng)特性，在此基礎(chǔ)上，將實驗?zāi)B(tài)與有限元計算模態(tài)分析法相結(jié)合，分析柴油機缸蓋罩的模態(tài)特性，研究缸蓋罩結(jié)構(gòu)振聲響應(yīng)特性與模態(tài)特性之間的相關(guān)性，研究結(jié)果指導(dǎo)優(yōu)化缸蓋罩的動態(tài)特性。

2 柴油機缸蓋罩動態(tài)特性分析

缸蓋罩振動響應(yīng)的激勵源有來自柴油機氣缸燃燒的爆發(fā)壓力、不平衡的往復(fù)慣性力以及配氣結(jié)構(gòu)的沖擊力，它們通過缸蓋的主傳遞路徑傳至缸蓋罩，激勵其結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生振動響應(yīng)而輻射噪聲。另外，缸蓋罩內(nèi)受閥系等零部件沖擊激勵，在內(nèi)部產(chǎn)生混響的同時間接激發(fā)缸蓋罩振動，產(chǎn)生二次空氣噪聲輻射[7]。

缸蓋罩振動與噪聲產(chǎn)生機理受其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響，下一步為研究缸蓋罩動態(tài)特性，融合頻譜分析法[8]、近場聲壓法[9]及模態(tài)分析法[10]進行分析，分析流程圖，如圖1 所示。

圖1 缸蓋罩動態(tài)特性分析方法Fig.1 Dynamic Characteristics Analysis Method of the Cylinder Head Cover

2.1 缸蓋罩振動響應(yīng)特性分析

研究所用直列四缸四沖程、自然吸氣直噴水冷柴油機，缸徑為95mm，標(biāo)定工況下轉(zhuǎn)速為3200r/min，功率為50kW。如圖2 所示，在靠近第2 缸和第3 缸之間位置的缸蓋罩上表面布置一個3向壓電式加速度傳感器，采用VTCL_DSP 振動測試系統(tǒng)在柴油機臺架性能實驗室對缸蓋罩開展穩(wěn)態(tài)工況的振動測試，振動信號采樣頻率設(shè)置為10240Hz。在標(biāo)定工況下，獲取鑄鋁缸蓋罩表面振動測點垂直方向的頻譜，功率譜，如圖3 所示。時頻譜，如圖4所示。

圖2 缸蓋罩振動測點及測試系統(tǒng)Fig.2 Vibration Measuring Points and VibrationTesting System of the Cylinder Head Cover

圖3 缸蓋罩測點功率譜Fig.3 Vibration Power Spectrum of the Cylinder Head Cover

圖4 缸蓋罩測點時頻譜Fig.4 Vibration Time-Frequency Spectrum of the Cylinder Head Cover

從缸蓋罩振動功率譜圖可以看出，當(dāng)柴油機周期工作時，缸蓋罩受到燃燒爆發(fā)壓力和氣門落座等機械沖擊激勵產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，振動能量主要集中在（1435～1800）Hz 中高頻帶寬度內(nèi)，且在1615Hz 時出現(xiàn)最大峰值。同時從缸蓋罩振動時頻圖分析可知，在柴油機工作周期內(nèi)，在能量相對集中的相同峰值頻帶呈現(xiàn)明顯的周期瞬態(tài)特性，而正時齒輪嚙合沖擊頻率與氣門落座沖擊頻率都小于1000Hz，進一步說明缸蓋罩受柴油機寬帶激勵力作用產(chǎn)生了以某階結(jié)構(gòu)模態(tài)為主導(dǎo)地位的結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)。采用脈沖激振法進行了缸蓋罩工作約束狀態(tài)下的頻響函數(shù)分析結(jié)果，如圖5 所示。從圖中分析可知，在寬頻帶（1500～1800）Hz 的半功率帶區(qū)間，存在以1600Hz 左右為主導(dǎo)的模態(tài)固有頻率。綜上所述，缸蓋罩在柴油機激勵下的響應(yīng)是由結(jié)構(gòu)各模態(tài)振型的線性組合及強迫振動響應(yīng)的疊加，其中，主模態(tài)在其模態(tài)頻率處對振動響應(yīng)貢獻最大。

圖5 缸蓋罩頻響函數(shù)Fig.5 Frequency Response Function of the Cylinder Head Cover

柴油機缸蓋罩表面輻射噪聲是各種激振力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的綜合反應(yīng)。如圖6（a）所示，在距缸蓋罩表面為10cm 的正上方側(cè)平面上布置（7×5）個測點，測試網(wǎng)格邊長為10cm，利用丹麥BK2250 型聲級計，如圖2（b）所示。采用近場聲壓法，在標(biāo)定工況下按照從第一缸至第四缸，從左至右順序逐個掃描獲取缸蓋罩正上方側(cè)網(wǎng)格測點的噪聲信號，采樣頻率設(shè)置為12800Hz，其中上述臺架實驗室聲學(xué)環(huán)境滿足工程測試要求，得到頂面聲壓等高線分布陣面，如圖6（b）所示。從圖中可以看出，缸蓋罩是柴油機頂面的主要輻射噪聲源，尤其在靠近缸蓋罩中間位置第3 缸與第4 缸部位，噪聲輻射最大為112dB（A）。為進一步獲取缸蓋罩結(jié)構(gòu)噪聲輻射特性，采用窄帶譜分析缸蓋罩近場測點噪聲結(jié)果，如圖7 所示。從圖中分析可知，缸蓋罩結(jié)構(gòu)噪聲能量主要集中在（1120～3500）Hz 的中高頻帶，其中，在以1600Hz 為中心頻率（1400～1800）Hz 的頻帶范圍出現(xiàn)噪聲峰值，與結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)能量集中的頻帶區(qū)間范圍基本吻合，說明缸蓋罩的某階主模態(tài)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)共振是產(chǎn)生噪聲峰值的主要原因，又由于人耳對此中高頻率區(qū)間頻率成分比較敏感，因此控制缸蓋罩表面輻射噪聲的關(guān)鍵是避開結(jié)構(gòu)共振模態(tài)或采取隔聲措施以降低敏感頻帶的振動與噪聲能量。

圖6 柴油機頂面近場聲壓掃描圖Fig.6 Near-Field Acoustic Pressure Scanning Diagram of Top Surface of the Diesel Engine

圖7 缸蓋罩近場測點噪聲的窄頻譜Fig.7 Narrow Bandwidth Spectrum of Near-Field Measurement Noise of the Cylinder Head Cover

2.2 缸蓋罩振動模態(tài)特性分析

針對缸蓋罩結(jié)構(gòu)共振引起的輻射噪聲能量集中問題，可通過模態(tài)來控制，其中采用實驗?zāi)B(tài)與有限元計算模態(tài)相結(jié)合的方法來識別缸蓋罩模態(tài)特性參數(shù)，指導(dǎo)修改缸蓋罩結(jié)構(gòu)特性控制噪聲。采用海綿墊自由支承鑄鋁缸蓋罩，為識別缸蓋罩的自由模態(tài)特性，構(gòu)建具有22 個特征測點的缸蓋罩實驗?zāi)Ｐ?，利用LMS Test.Lab 13A 模態(tài)測試系統(tǒng)采用多點激勵單點響應(yīng)的脈沖激振法進行自由狀態(tài)下缸蓋罩的模態(tài)試驗，獲取缸蓋罩的模態(tài)參數(shù)，如圖8（a）、圖8（b）所示。根據(jù)缸蓋罩的試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果，采用四面體單元均勻網(wǎng)格劃分缸蓋罩三維模型，建立其有限元計算模型，如圖8（c）所示，采用分塊蘭索斯法計算獲得自由狀態(tài)下缸蓋罩的模態(tài)參數(shù)。

圖8 缸蓋罩模態(tài)實驗設(shè)備與實驗仿真模型Fig.8 Modal Test Equipment and Experimental Simulation Model of the Cylinder Head Cover

缸蓋罩試驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)結(jié)果，如表1 所示。

表1 缸蓋罩自由模態(tài)參數(shù)Tab.1 Free Modal Parameters of the Cylinder Head Cover

從表中分析可知，前8 階試驗?zāi)B(tài)頻率與計算模態(tài)頻率值相對誤差都小于10%，驗證了缸蓋罩計算模態(tài)結(jié)果的準(zhǔn)確性，說明所建缸蓋罩有限元模型可用作后續(xù)的仿真分析。為模擬缸蓋罩與實際工作相符的約束狀態(tài)，約束了用于聯(lián)接柴油機缸體的螺栓孔處的自由度，進行缸蓋罩的約束模態(tài)計算，部分計算結(jié)果如表2 與圖9（a）所示。從約束模態(tài)求解結(jié)果可知，缸蓋罩第12 階模態(tài)頻率為1596Hz，接近結(jié)構(gòu)共振頻率1615Hz；其相對應(yīng)的振型圖表現(xiàn)為缸蓋罩局部模態(tài)振型，呈現(xiàn)出兩薄壁側(cè)板局部的凹凸開合振型。因此，缸蓋罩結(jié)構(gòu)的第12 階局部模態(tài)是影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的關(guān)鍵模態(tài)，同時缸蓋罩左右薄壁側(cè)板是影響結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)。

表2 缸蓋罩約束模態(tài)頻率Tab.2 Constrained Modal Frequency of Cylinder Head Cover

圖9 缸蓋罩結(jié)構(gòu)加強筋改進前后的振型圖Fig.9 the Map of Model Shape for Before and After Improvement of Structural Stiffeners

缸蓋罩結(jié)構(gòu)在標(biāo)定工況下的響應(yīng)是缸蓋罩受工作載荷的激勵，所激起來的所有模態(tài)在這個測量位置處產(chǎn)生的響應(yīng)的總和，通過實驗測試和約束模態(tài)計算結(jié)果，要降低標(biāo)定工況下缸蓋罩振動響應(yīng)能量，控制缸蓋罩中高頻輻射噪聲，必須提高缸蓋罩的局部剛度，改進設(shè)計其薄弱環(huán)節(jié)。分別采用在缸蓋罩頂板布置豎向加強筋、在頂板與側(cè)板同時加豎向筋的綜合措施來提高缸蓋罩的局部剛度，計算結(jié)果的對比如表2 與圖9（b）所示。從改進效果可以看出，對缸蓋罩薄弱結(jié)構(gòu)進行加強筋改進設(shè)計后，缸蓋罩的第12 階約束模態(tài)頻率分別提高了149Hz、176.5Hz 左右，其中采取綜合措施效果最好，而且結(jié)構(gòu)改進后避開了共振頻率區(qū)間，其主振型相對位移變形量也減小。

3 缸蓋罩動態(tài)特性改進與試驗驗證

根據(jù)缸蓋罩動態(tài)特性識別結(jié)果，采用在鑄鋁缸蓋罩表面設(shè)計具有高吸聲系數(shù)的緊貼式隔聲結(jié)構(gòu)措施來控制其中高頻輻射噪聲，隔聲罩結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。

圖10 缸蓋罩隔聲結(jié)構(gòu)Fig.10 Sound Insulation Structure of the Cylinder Head Cover

缸蓋罩隔聲罩包括樹脂基復(fù)合材料護面層、粘彈性層和吸聲層。外表面護面層起到隔聲和美觀的作用，粘彈性層作用是防止護面層的二次噪聲輻射，隔聲結(jié)構(gòu)內(nèi)襯吸聲層采用具有高吸聲系數(shù)的毛氈來提高隔聲結(jié)構(gòu)的插入損失[7]。

在標(biāo)定工況下，采用隔聲罩后，缸蓋罩正上方側(cè)近場聲壓掃描結(jié)果，如圖11 所示。與隔聲前相比，陣面各測點聲壓級都有所降低，尤其是原來噪聲輻射較強靠近缸蓋罩中間位置區(qū)域，噪聲最大值下降了2dB（A）。

圖11 缸蓋罩加隔聲罩后等聲壓級圖Fig.11 Equal Sound Pressure Level Diagram After the Cylinder Head Cover Plus Acoustical Enclosure

對比隔聲前、后的缸蓋罩近場測點1/3 倍頻程聲壓級譜，隔聲罩隔聲效果，如圖12 所示。

圖12 缸蓋罩加隔聲罩前后1/3 倍頻程譜Fig.12 1/3 Octave Spectrum for Before and After the Cylinder Head Cover Plus Acoustical Enclosure

從圖12 中分析可知，加隔聲罩后，結(jié)構(gòu)噪聲在以（1250～2500）Hz 為中心頻率的頻帶區(qū)域能量有顯著衰減，隔聲量增加，其中在1600Hz 中心頻率處隔聲量為4.2 dB（A）；缸蓋罩近場測點總聲壓級為105.2dB（A），與隔聲前相比，下降了3.7 dB（A）。整機聲功率級為113.7 dB（A），與隔聲前原機相比，下降了近0.6dB（A），有效降低了整機噪聲水平。

綜上所述，在標(biāo)定工況下，采用隔聲措施能改進鑄鋁缸蓋罩的動態(tài)特性，控制其結(jié)構(gòu)輻射噪聲，隔聲降噪試驗分析結(jié)果也進一步驗證了缸蓋罩動態(tài)特性識別結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）在標(biāo)定工況下，鑄鋁缸蓋罩振動響應(yīng)能量與表面輻射噪聲能量主要集中在（1435～1800）Hz 中高頻帶范圍內(nèi)，其中結(jié)構(gòu)共振是導(dǎo)致振聲峰值頻率1615Hz 出現(xiàn)的主要原因，改進缸蓋罩動態(tài)特性的關(guān)鍵是避開結(jié)構(gòu)共振模態(tài)頻率或隔離共振頻帶產(chǎn)生的噪聲。（2）鑄鋁缸蓋罩結(jié)構(gòu)的第12 階約束模態(tài)頻率是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振，影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的關(guān)鍵；通過對缸蓋罩左右薄壁側(cè)板與頂板的薄弱結(jié)構(gòu)進行加強筋改進設(shè)計，約束模態(tài)固有頻率提高了176.5Hz，有效提高了缸蓋罩的結(jié)構(gòu)剛度，避開了共振頻率。（3）融合頻譜分析法、近場聲壓法及模態(tài)分析法能有效識別缸蓋罩結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，設(shè)計了具有高吸聲系數(shù)的緊貼式隔聲結(jié)構(gòu)有效控制了缸蓋罩中高頻輻射噪聲，改善了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，降低整機噪聲近0.6dB（A），從而也驗證了識別結(jié)果的準(zhǔn)確性。