柴油機(jī)惰輪高頻噪聲分析與優(yōu)化試驗(yàn)研究

肖明雅 樊士貢 汪會(huì)斌 翁凌霄

摘要：柴油機(jī)高頻噪聲嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)主觀評(píng)價(jià)，附件輪系是高頻噪聲產(chǎn)生的根源之一，利用噪聲信號(hào)頻譜分析和聲學(xué)相機(jī)識(shí)別出輪系中惰輪在高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生高頻噪聲，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析判斷為軸承振動(dòng)引起。采用雙排軸承減小游隙，克服單排軸承游隙過(guò)大問(wèn)題降低軸承噪聲。同時(shí)診斷出軸承固定支座剛度不足，對(duì)軸承振動(dòng)產(chǎn)生較大影響，使軸承振動(dòng)加劇放大軸承噪聲，通過(guò)提高軸承安裝支座剛度大幅度降低軸承振動(dòng)和噪聲。

關(guān)鍵詞：高頻噪聲;游隙;軸承噪聲;支架剛度

中圖分類號(hào)：TK441+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0048-03

0? 引言

柴油機(jī)工作噪聲頻率分布與人耳主觀感受息息相關(guān)，高頻噪聲成分過(guò)多會(huì)使聲音尖銳度過(guò)大，聲品質(zhì)變差，即使噪聲的聲壓級(jí)并不大，但主觀感受仍然較差[1-2]，所以降低高頻噪聲是提升發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)的關(guān)鍵所在。針對(duì)一款2L排量的四氣門高壓共軌柴油機(jī)，在前端輪系存在高頻噪聲過(guò)大的問(wèn)題，本文利用現(xiàn)代噪聲信號(hào)診斷方法，確定高頻噪聲源，并進(jìn)行改進(jìn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)得到大幅度提升。

1? 柴油機(jī)輻射噪聲頻譜分析

對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、皮帶輪前端、缸蓋上端的1m噪聲信號(hào)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，前端噪聲較大，且2400 r/min以上高速聲音尖銳，如圖1所示，聲品質(zhì)很差。對(duì)其頻譜分析如圖1，1000Hz以上高頻成分豐富，利用Artemis軟件對(duì)聲音各頻段進(jìn)行濾波回放，發(fā)現(xiàn)1500-2500Hz是影響主觀感受的主要頻段。

通過(guò)聲學(xué)照相機(jī)對(duì)前端輪系進(jìn)行聲源識(shí)別， 如圖2所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噪聲峰值主要出現(xiàn)在惰輪處附近。

2? 原因分析及改進(jìn)

2.1 惰輪軸承防塵蓋板對(duì)噪聲的影響分析

通過(guò)對(duì)惰輪軸承結(jié)構(gòu)分析，其前、后防塵蓋板振動(dòng)可產(chǎn)生高頻噪聲，防塵蓋板結(jié)構(gòu)如圖10所示;軸承自身高頻振動(dòng)也會(huì)引起高頻噪聲?，F(xiàn)對(duì)分別取消一個(gè)防塵蓋和兩個(gè)同時(shí)取消的三種方案進(jìn)行噪聲對(duì)比。對(duì)比取消防塵蓋前后，惰輪近場(chǎng)處噪聲變化情況。測(cè)試時(shí)麥克風(fēng)正對(duì)惰輪，測(cè)量距離20mm的近場(chǎng)噪聲。

如圖3所示，取消后防塵蓋板近場(chǎng)惰輪噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)2200-2800r/min范圍內(nèi)噪聲有顯著降低。由圖4和圖5的頻譜對(duì)比可知在2200-2800r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，防塵蓋板在1400-1600Hz和2000-2400Hz兩個(gè)頻段幅值增大很多，聲壓級(jí)隨之變大，聲音尖銳度惡化。

2.2 軸承振動(dòng)分析

軸承的振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)具有強(qiáng)相關(guān)性，可以通過(guò)檢測(cè)軸承安裝座和固定螺栓的振動(dòng)信號(hào)來(lái)判斷軸承振動(dòng)[3-4]，振動(dòng)傳感器布置如圖15所示。（圖6-圖7）

固定螺栓振動(dòng)信號(hào)法向XYZ三個(gè)方向振動(dòng)均在2800轉(zhuǎn)以后開始突變，圖8。從圖9的固定螺栓徑向振動(dòng)頻譜可見，高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生200-4000Hz的寬頻帶振動(dòng)，說(shuō)明軸承的振動(dòng)導(dǎo)致高頻噪聲的產(chǎn)生。

通過(guò)對(duì)軸承的檢查，游隙偏大，但在公差范圍之內(nèi)。初步判斷軸承游隙導(dǎo)致軸承噪聲。鑒于此，對(duì)采用雙軸承結(jié)構(gòu)。圖10為單軸承和雙軸承結(jié)構(gòu)對(duì)比，單軸游隙0.1mm，雙軸承游隙0.05mm。

雙排軸承式惰輪對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)噪聲有明顯改善效果。對(duì)頻譜進(jìn)行分析，在1500-2500Hz處能量有明顯減弱，見圖11-圖13，能有效改善人耳主觀感受。通過(guò)對(duì)比可以采用此雙軸承結(jié)構(gòu)。

3? 軸承安裝座振動(dòng)分析

軸承安裝基礎(chǔ)剛度薄弱也會(huì)引起軸承的過(guò)大振動(dòng)，軸承安裝座處振動(dòng)如圖6所示，垂直軸承座表面法向的振動(dòng)在2800轉(zhuǎn)出現(xiàn)突變，在1400-1800Hz范圍內(nèi)有強(qiáng)烈共振并且夾雜著軸承振動(dòng)。對(duì)軸承安裝座的結(jié)構(gòu)審核發(fā)現(xiàn)，在螺栓固定處為懸臂梁結(jié)構(gòu)，圖14紅色圈所示區(qū)域，安裝座為鋁合金材料，壁厚4mm，初步判斷結(jié)構(gòu)剛度不足。

針對(duì)此結(jié)構(gòu)采用模態(tài)分析方法檢查其剛度，計(jì)算得到懸臂梁處1階固有頻率276Hz，剛度不足。對(duì)此局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，增加壁厚至5mm，同時(shí)將主要加強(qiáng)筋高度厚度同時(shí)加大，得到懸臂梁的1階固有頻率提升到653Hz。（圖15）

安裝支架剛度加強(qiáng)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)噪聲有明顯改善效果。頻譜在1500-2500Hz處能量有明顯減弱，圖16-圖17對(duì)比可知，能有效改善人體主觀感受。

4? 結(jié)論

利用聲學(xué)照相機(jī)識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系在高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的高頻噪聲位置定位，之后對(duì)噪聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻頻分析，確定了軸承游隙過(guò)大和安裝支座的剛度不足是導(dǎo)致振動(dòng)過(guò)大的原因。利用有限元分析技術(shù)對(duì)支架剛度進(jìn)行提升，同時(shí)采用雙排軸承結(jié)構(gòu)方案，降低軸承在高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)，進(jìn)而降低高頻噪聲。

參考文獻(xiàn)：

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