發(fā)動(dòng)機(jī)前端系統(tǒng)的噪聲分析

莫漢忠，徐成思，王 庚，歐陽天成，黃豪中

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，乘用車已成為家家戶戶出行最為普遍的交通工具，而作為汽車的核心部件——發(fā)動(dòng)機(jī)，它起著能量轉(zhuǎn)化。動(dòng)力輸出等至關(guān)重要的作用[1-3]。為保障其正常平穩(wěn)的運(yùn)行，由水泵、配氣機(jī)構(gòu)、正時(shí)鏈輪、正時(shí)罩、附件皮帶等組成的發(fā)動(dòng)機(jī)前端系統(tǒng)準(zhǔn)確控制著進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉，以及為高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的零部件及時(shí)提供冷卻[4-5]。由此可見，發(fā)動(dòng)機(jī)前端NVH（noise，vibration，harshness）性能的優(yōu)劣，將直接影到響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而影響到整車的正常運(yùn)行與性能指標(biāo)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)前端系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲問題，越來越成為設(shè)計(jì)和開發(fā)人員所關(guān)注的對象。

1 噪聲問題識(shí)別

某車型開發(fā)整車路試反饋，車型所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)端存在異常聲響。在怠速工況下，主觀評價(jià)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)前端存在明顯的類似蛙鳴音的“咕咕”周期性異常噪聲，聲音品質(zhì)較差。為此，將該車型所對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，放置在發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室進(jìn)行了NVH 測試。測試方案中，將發(fā)動(dòng)機(jī)放置于測試臺(tái)架上，發(fā)動(dòng)機(jī)前端近場處裝有麥克風(fēng)進(jìn)行噪聲信號(hào)采集，然后通過LMS 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對噪聲信號(hào)進(jìn)行分析處理，繪制成聲壓級曲線，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以清楚看出，所有噪聲信號(hào)中，頻率為500 Hz ～750 Hz 范圍的頻帶幅值波動(dòng)較大，從而可以判斷該頻帶聲壓對怠速噪聲的貢獻(xiàn)起主要作用。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)前端聲壓級曲線圖

2 噪聲原因仿真分析

為了進(jìn)一步探究發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲的具體來源，我們通過對發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件逐一進(jìn)行檢測，同時(shí)在AVL EXCITE 軟件進(jìn)行前端系統(tǒng)的建模仿真，以此來排查發(fā)動(dòng)機(jī)前端各個(gè)部件的工作狀態(tài)。

2.1 水泵本體模態(tài)分析

水泵通常布置于發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系中，一般通過曲軸皮帶輪來驅(qū)動(dòng)，把發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水道內(nèi)的熱水泵出，把冷水泵入，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)，為發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)提供了熱穩(wěn)定性和可靠性[6-7]。合理的水泵設(shè)計(jì)方案，其本體的固有頻率應(yīng)該盡量避開發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速區(qū)間所對應(yīng)的激勵(lì)頻率，以免發(fā)生共振導(dǎo)致系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲加劇，從而提高系統(tǒng)的可靠性。圖2 為怠速工況下，水泵X、Y、Z三個(gè)方向振動(dòng)位移的頻域圖，從圖2 中可以看到，水泵本體模態(tài)在652 Hz、685 Hz、735 Hz 以及809 Hz 時(shí)被激發(fā)，其激發(fā)模態(tài)正好處于圖1 所示的噪聲頻域帶之中。由此可以證明，在怠速工況下，該異常噪聲可能是由于水泵本體與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)生共振所導(dǎo)致的。

圖2 水泵本體振動(dòng)頻域圖

2.2 前端輪系建模分析

發(fā)動(dòng)機(jī)前端各部件的運(yùn)動(dòng)，主要是依賴于前端輪系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將動(dòng)力從曲軸端輸送分配到其余各個(gè)部件，使得其它附件正常工作。而皮帶和齒輪運(yùn)行過程中的交替嚙合行為，也將不可避免的產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，這也可能成為前端噪聲的來源[8-10]。

基于這一認(rèn)識(shí)，首先，在AVL EXCITE 軟件中，建立了相對應(yīng)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)前端的整體模型，如圖3 所示。然后，建立了配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，用于提取進(jìn)排氣凸輪軸的驅(qū)動(dòng)扭矩負(fù)載，從而將其作為邊界條件輸入到前端輪系動(dòng)力學(xué)模型中。接下來，運(yùn)用EXCITE Power Unit 中相應(yīng)的Autoshaft 方法，建立了曲軸柔性多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，如圖4 所示。設(shè)置好相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)、活塞、連桿的幾何及質(zhì)量參數(shù)，提取相應(yīng)轉(zhuǎn)速下曲軸在正時(shí)齒輪處的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，作為正時(shí)齒輪計(jì)算分析時(shí)的轉(zhuǎn)速，作為其邊界條件輸入。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)前端模型

圖4 曲軸多體動(dòng)力學(xué)模型

在上述建模得到所需的邊界條件后，建立了前端輪系的動(dòng)力學(xué)模型，如圖5 所示。

圖5 正時(shí)齒鏈動(dòng)力學(xué)模型

完成了發(fā)動(dòng)機(jī)前端所有部件的建模之后，將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)下的相應(yīng)參數(shù)輸入模型中，可以分別得到前端各附件的分析結(jié)果，如圖6、圖7 所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力圖

圖7 水泵-張緊器段正時(shí)鏈振動(dòng)頻域圖

2.3 正時(shí)蓋罩模態(tài)分析

除了發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生噪聲激勵(lì)源之外，噪聲傳遞的路徑或傳聲介質(zhì)的材料、設(shè)計(jì)型態(tài)以及約束條件等也與噪聲有著密切的關(guān)聯(lián)。作為表面面積最大的薄壁件之一的正時(shí)蓋罩，由于零部件的裝配關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)在連接處通常會(huì)留有縫隙，極容易輻射噪聲，因此正時(shí)蓋罩也可能是發(fā)動(dòng)機(jī)前端主要的異響來源[11-12]。通過圖8 所示的正時(shí)蓋罩本體模型的建立，我們得到了其前六階振型的云圖，結(jié)果如圖9 所示。

圖8 正時(shí)蓋罩模型圖

圖9 正時(shí)蓋罩前六階振型圖

從其分析結(jié)果可以看到，正時(shí)蓋罩上殼體接觸面處約束不足，容易導(dǎo)致密封處相互撞擊，產(chǎn)生異響問題。下殼體在732 Hz 附近存在面板模態(tài)激發(fā)，與異響噪聲范圍頻率一致，產(chǎn)生共振及噪聲問題。同時(shí)，正時(shí)蓋罩上下殼體在連接處無密封設(shè)計(jì)，存在較大縫隙，并且與機(jī)體連接面處也存在較多空洞，不利于噪聲控制。

3 結(jié)論

針對發(fā)動(dòng)機(jī)前端怠速工況下存在的異常噪聲問題，對前端附件進(jìn)行了逐一排查，并結(jié)合了AVL EXCITE 軟件建模分析，得到了噪聲源的部件所在，然后對問題部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終有效改善了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲異響問題。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下前端異常噪聲頻率范圍主要與水泵的激勵(lì)頻率有關(guān)；通過對水泵本體的建模分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，使得其激勵(lì)頻率避開發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，從噪聲激勵(lì)源上有效的減弱水泵振動(dòng)所引起的噪聲異響。