淺析內(nèi)燃機零部件結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計及應(yīng)用

宋欣鋼 丁祎 李曉娟

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的革新與發(fā)展，內(nèi)燃機得以在汽車、船舶、機械等現(xiàn)代儀器設(shè)備中廣泛應(yīng)用，并趨向大功率、高效率發(fā)展，但是，這也增加了其高頻運轉(zhuǎn)時的振動及噪聲，影響了能源利用效率、造成了噪聲污染，故而，面臨著節(jié)能降噪的現(xiàn)實要求。針對此，本文將以降噪為核心引領(lǐng)，從內(nèi)燃機噪聲污染的現(xiàn)狀出發(fā)，梳理其主要的結(jié)構(gòu)噪聲源特征，并針對缸體-曲軸箱、油底殼、齒輪室蓋等零部件結(jié)構(gòu)進行降噪設(shè)計及應(yīng)用要點分析，以為內(nèi)燃機整體的優(yōu)化發(fā)展提供有效支撐。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機;零部件;結(jié)構(gòu)設(shè)計;降噪

中圖分類號：TK403? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0119-02

0? 引言

隨著科技的進步，內(nèi)燃機得以取代蒸汽機成為新生的技術(shù)產(chǎn)物之一，其工作原理是將燃料燃燒所生成的熱能轉(zhuǎn)換為一種機械能，為機械設(shè)備提供動力源，其在汽車、工程機械、農(nóng)林設(shè)備、船舶、航空及軍事裝備等各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。而當前，綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢下，因為噪聲作為主要的環(huán)境污染源備受各界關(guān)注，各國均投入了大量的資金及技術(shù)用以減控噪聲源及對環(huán)境的負面影響，而內(nèi)燃機作為多種機械設(shè)備的動力機，因為其在長期、高效運行，存在頻繁的燃燒、機械、液體動力等噪聲，噪聲污染較為嚴重，亟待進行降噪設(shè)計，為此，如何根據(jù)內(nèi)燃機的噪聲源，進行針對性的降噪設(shè)計及應(yīng)用是未來發(fā)展的必然趨勢。而內(nèi)燃機降噪設(shè)計是一個系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，可以通過改善燃油品質(zhì)、促進廢氣再循環(huán)、優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)形態(tài)、改進供油系統(tǒng)等予以實現(xiàn)，但是，這些僅一定程度上提升燃燒效率，并不能從根本上解決問題，而從內(nèi)燃機各零部件的噪聲源出發(fā)，把控問題本質(zhì)，通過結(jié)構(gòu)性的降噪設(shè)計，是有效減控噪聲的基本方法。

1? 內(nèi)燃機各零部件結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計的現(xiàn)實需求

大功率、高效率的內(nèi)燃機在工作運轉(zhuǎn)過程中，常伴隨頻繁的振動及噪聲，給社會生產(chǎn)生活帶來了極大的噪聲污染，而綠色、可持續(xù)性發(fā)展要求，內(nèi)燃機噪聲受到了普遍性的關(guān)注，尤其，隨著汽車保有數(shù)量的急速上升，內(nèi)燃機的使用量也隨之上升，其帶來的噪聲污染更為嚴峻，雖然早在20世紀70年代，美國、歐盟、日本等各國已經(jīng)關(guān)注該問題，并相繼在1967年、1969年、1971年出臺了噪聲法規(guī)[1]，設(shè)置了轎車、廂式車、卡車等各類汽車噪聲限值，均在80kW以下，而對比而言，我國汽車噪聲限值控制在84kW以下，與之存在既定差距，且在1979年才開始著眼于控制機動車噪聲，出臺了GB 1495—79、GB 1496—79等標準，噪聲管控發(fā)展存在一定的滯后性[2]。目前，我國噪聲限值多直接照搬歐盟標準，并在GB1495-2002新的車輛噪聲法規(guī)中明確規(guī)定：“自2005年1月1日后將3.5噸以下、以上的車輛發(fā)動機標定工況下的1米聲壓級應(yīng)該分別控制在93-95dB（A）、95-97dB（A）”[3]，如此，對于作為各車輛動力機的內(nèi)燃機各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及減噪應(yīng)用效果提出了更高的要求，可見，內(nèi)燃機的降噪設(shè)計存在現(xiàn)實緊迫性。

2? 內(nèi)燃機各零部件結(jié)構(gòu)的噪聲源分析

內(nèi)燃機各零部件噪聲的產(chǎn)生，與其聲源密切相關(guān)，為此，在闡釋內(nèi)燃機各零部件結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計方法之前，首要的任務(wù)就是分析其噪聲源。而結(jié)合以往研究及實踐經(jīng)驗，內(nèi)燃機噪聲源分為結(jié)構(gòu)振動噪聲、空氣動力噪聲，因本文主要研究結(jié)構(gòu)設(shè)計，故而，集中分析其結(jié)構(gòu)振動噪聲源，因內(nèi)燃機各零部件的結(jié)構(gòu)特征各異，在激勵力的影響下會產(chǎn)生不同程度的振動，振動的結(jié)構(gòu)表層會輻射噪聲，據(jù)此，該類噪聲可分為如下幾類：

內(nèi)燃機的燃燒噪聲：該類噪聲是內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)噪聲的最重要形式之一， 其衍生的根源在于燃料在氣缸內(nèi)燃燒時，因其內(nèi)置壓力迅速上升生成動載荷，并通過活塞連桿、曲軸主軸承傳遞給集體表層，或是經(jīng)由汽缸蓋及缸套側(cè)壁等方式傳遞，造成內(nèi)燃機發(fā)動機的結(jié)構(gòu)表面振動[4]，進而輻射出噪聲。該類型的噪聲取決于燃燒方式及初始燃燒速率，其造成內(nèi)燃機壓力急速上升多鄰近上止點，為此，燃燒噪聲多發(fā)于該時間段，而這時，活塞趨近上止點，缸內(nèi)氣體與氣缸壁接觸面較小，為此，通過缸套測側(cè)壁傳遞噪聲的情況較少;同時，輻射噪聲的強度、頻率范圍寬帶則由氣缸壓力決定，為此，準確認知氣缸壓力的頻譜特征是降噪設(shè)計的關(guān)鍵。

內(nèi)燃機的機械噪聲：該類噪聲涵蓋活塞對缸套的敲擊，以及正時齒輪、配氣機構(gòu)、噴油系統(tǒng)等內(nèi)燃機運動部件之間沖撞生成的噪聲，多源于發(fā)動機工作過程中不同運動部件之間以及各運動部件與固定部件之間定期性循環(huán)的力，機械噪聲與內(nèi)燃機的運行工況及各部件結(jié)構(gòu)動態(tài)特性等密切相關(guān)。

內(nèi)燃機的液體動力噪聲：該類噪聲是指內(nèi)燃機中液體流動引發(fā)的力激振而帶來的噪聲，該類型噪聲中，最常見的是燃油噴射系統(tǒng)中因為流動快速流動沖擊內(nèi)燃機的氣缸，要控制該種噪聲，尚未有標準的方法，通常是改進液體流動性或噪聲隔離。

3? 內(nèi)燃機零部件結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計及應(yīng)用

結(jié)合上述分析，內(nèi)燃機各零部件結(jié)構(gòu)上的噪聲源呈現(xiàn)多樣性，而要單一控制燃燒噪聲、機械噪聲等會影響內(nèi)燃機的整體應(yīng)用性能，且稍有不慎，容易顧此失彼，在控制燃燒噪聲的同時，可能引發(fā)機械噪聲的增大，使得降噪效果受限。而從結(jié)構(gòu)上采取優(yōu)化設(shè)計方法可以從整機性能出發(fā)，把控噪聲源特質(zhì)，針對性的降噪，以最大限度的減少內(nèi)燃機整體噪聲。通過分析，內(nèi)燃機噪聲零部件主要包含缸體-曲軸箱側(cè)壁、正時齒輪蓋、油底殼等，為此，本文著眼于內(nèi)燃機各零部件的噪聲源特征，進行結(jié)構(gòu)性的降噪設(shè)計，并分析其實際的應(yīng)用潛能。

3.1 缸體-曲軸箱側(cè)壁結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計及應(yīng)用要點

通常，內(nèi)燃機各零部件降噪設(shè)計多集中在激振力的傳播方式和表面輻射噪聲的效率等層面上，而實踐中最常用的方法是通過剛度和阻尼的增加，來減少表面振動，而且，在相同的激振力作用下，通過結(jié)構(gòu)表面響應(yīng)的控制也可實現(xiàn)降噪設(shè)計的目的。曲軸箱因為剛度較弱、振動較強，成為表面輻射噪聲的多發(fā)零部件，而且，曲軸箱的振動可繼續(xù)傳播給重要的噪聲輻射面罩殼，加劇其振動，據(jù)此，根據(jù)該零部件的噪聲源特征，通過減弱或消除缸體-曲軸箱的表面響應(yīng)是實現(xiàn)控制其表面輻射噪聲的關(guān)鍵所在;同時，還可以通過結(jié)構(gòu)剛度的提升來達到減控曲軸箱表面輻射噪聲的目的，通過剛度的增加可適度的提升結(jié)構(gòu)的固有頻率，讓其趨近結(jié)構(gòu)衰減系數(shù)最大值的頻率區(qū)域，而結(jié)構(gòu)剛度、固有頻率提升的路徑多集中在壁厚增加、引入整體式軸承梁、曲軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、在缸體振動最大部位加筋等方法之上，采用這些措施能夠讓結(jié)構(gòu)固有頻率額增至曲軸箱結(jié)構(gòu)衰減系數(shù)較大的區(qū)域，以有效脫離1000-2000Hz的噪聲峰值[5]，且板結(jié)構(gòu)的固有頻率與板厚近似正比，為此，壁厚的增加可顯著達到減控表面輻射噪聲的目的，而缸體-曲軸箱結(jié)構(gòu)上部分的剛度較強，下部分剛度較弱，表面輻射噪聲大，若假裝整體式軸承結(jié)構(gòu)，相當于在下部“開口箱”增設(shè)了一個梁，提升了其剛度，自然就會控制表面噪聲。

3.2 齒輪蓋結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計及應(yīng)用

齒輪蓋表面輻射噪聲是內(nèi)燃機主要的噪聲源，為實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計，可根據(jù)國標GB/T 1895-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》的方法[6]，通過在半自由聲場的無噪聲式內(nèi)測量內(nèi)燃機的噪聲，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，前端面測點的噪聲值較其他測點要高出很多，也即內(nèi)燃機齒輪蓋前端面的噪聲占據(jù)更大的比值。而精準把控齒輪蓋前端表面輻射噪聲的分布特征，以650r/min、1500r/min、2200r/min的轉(zhuǎn)速利用環(huán)形聲陣列對前端面進行聲場掃描[7]，得出減震器、皮帶輪為齒輪蓋前端面輻射噪聲的主要來源。而因為齒輪室為存在一定壁厚的鑄件，需要在控制齒輪室罩蓋重要的同時，利用拓撲及形狀完成齒輪蓋結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計，其中，拓撲優(yōu)化是在預(yù)設(shè)載荷條件下，探究控制齒輪蓋表面輻射噪聲的結(jié)構(gòu)材料最佳分布的優(yōu)化技術(shù)，因為齒輪蓋雙側(cè)的空間狹窄，且外面配設(shè)張緊輪、皮帶，內(nèi)部設(shè)置齒輪部件，為此，設(shè)定齒輪蓋的凹陷區(qū)域、雙側(cè)面的翻邊區(qū)域分別為拓撲空間1、2，結(jié)構(gòu)材料可否保留，取決于拓撲空間優(yōu)化結(jié)果，保留其區(qū)域內(nèi)的高密度單元、剔除低密度單元即可完成降噪設(shè)計;形狀優(yōu)化則是通過調(diào)整內(nèi)燃機齒輪蓋的結(jié)構(gòu)外形，來控制應(yīng)力、增加頻率，其多采用非參數(shù)化的設(shè)計方法，通過將不同形狀優(yōu)化設(shè)計空間劃分不同的降噪控制區(qū)域，并將其簡化為關(guān)鍵控制節(jié)點位置，基于這些關(guān)鍵節(jié)點的響應(yīng)移動，即可改變內(nèi)燃機齒輪蓋的結(jié)構(gòu)形狀，以達到降噪的目的。

3.3 油底殼結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計及應(yīng)用

內(nèi)燃機油底殼作為一種薄壁沖壓件，在未經(jīng)過多次模擬及實驗數(shù)據(jù)支持的情況下，通過增加結(jié)構(gòu)剛度以減控外部聲發(fā)射表面的振動是首選的結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計方法。因為通常，油底殼多為2mm壁厚的沖壓薄鋼板，剛度欠佳，為此，實現(xiàn)降噪設(shè)計的關(guān)鍵是增加其結(jié)構(gòu)剛度及固有頻率，而針對該零部件的結(jié)構(gòu)特征，增加結(jié)構(gòu)剛度最有效的方法是加壓痕筋，形貌優(yōu)化技術(shù)提供了壓痕筋自動尋找的方法，為此，可采用該方法對油底殼結(jié)構(gòu)進行降噪設(shè)計。在具體應(yīng)用中，在進行形貌優(yōu)化之前應(yīng)預(yù)設(shè)設(shè)計區(qū)域，可通過處理原始油底殼的集合模型，來剔除油底殼的加強筋，而后，將提出加強筋的油底殼優(yōu)先模型劃分為側(cè)板、底板、側(cè)壁等不同設(shè)計區(qū)域，在這些設(shè)計區(qū)域內(nèi)設(shè)置筋的凹陷及延伸方向，而根據(jù)油底殼沖壓工藝要求，其底面及側(cè)立面的凹陷方向、側(cè)面筋的延伸方向，應(yīng)該分別為表面的內(nèi)法先方向、油底殼安裝后豎直向下的方向，且在加壓痕筋時需使用寬度相同、高度為10mm及拔模斜度為70°的壓痕筋。

4? 結(jié)束語

內(nèi)燃機作為汽車、農(nóng)林及工程機械的動力機，在純電動、氫燃料、太陽能等新能源因為核心技術(shù)短板、基礎(chǔ)設(shè)施滯后等尚未全面推行下，其仍是各類機械設(shè)備的動力支撐，具有廣泛應(yīng)用性，但也因此成為綠色動力改革下關(guān)注的焦點。尤其隨著內(nèi)燃機向高速、大功率、高效率方向發(fā)展，如何控制或減少其噪聲污染成為最緊迫之需，為此，上述研究圍繞減噪，通過內(nèi)燃機各零部件聲學(xué)特性的分析，把控結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點及方法，并分析其應(yīng)用性能，對于內(nèi)燃機節(jié)能降噪發(fā)展具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

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