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某汽油機正時罩蓋輻射噪聲的優(yōu)化研究

宿朋，常明明，白國棟，秦少博，宋兆哲

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；

2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

摘要基于某款發(fā)動機正時罩蓋輻射噪聲問題，通過對發(fā)動機整機進行有限元分析，并結(jié)合試驗測試結(jié)果，找到了理論分析與實際測試的契合點；同時通過對物體本身模態(tài)頻率的理論分析，找到了解決此問題的方法；最終通過發(fā)動機及整車的NVH試驗，對改善方案進行了驗證，輻射噪聲分別降低9 dBA和8 dBA。

關(guān)鍵詞：汽油機正時罩蓋輻射噪聲

來稿日期：2015-04-21

1　引言

隨著全球經(jīng)濟化的快速發(fā)展，內(nèi)燃機生產(chǎn)和開發(fā)逐步走向國際化、合作化。在汽車產(chǎn)量逐年提升的同時，發(fā)動機的質(zhì)量也正朝著低污染、低能耗、低噪聲、高輸出、高效率、高可靠性等方向發(fā)展。汽車整車NVH性能的優(yōu)劣已成為衡量汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1, 2]，其所搭載發(fā)動機的噪聲問題引起了越來越多的用戶和生產(chǎn)廠家的重視。為滿足發(fā)動機輕量化的要求，發(fā)動機多采用整體式正時罩蓋；但整體式正時罩蓋存在著壁薄、表面平面大、剛度比較小，造成NVH效果差的缺點[3, 4]。本文通過對正時罩蓋本體及整機模型進行有限元分析，找到了問題真因，通過更改正時罩蓋自身結(jié)構(gòu)，降低了輻射噪聲[5]，解決了整車噪聲問題。

2　現(xiàn)象描述和初步分析

某款新開發(fā)乘用車，搭載某款汽油機進行整車NVH摸底試驗時，駕駛員反饋，整車怠速過程中發(fā)動機噪聲過大。

對該汽油機在整車狀態(tài)下進行NVH測試，發(fā)現(xiàn)在怠速工況時踩下離合器，駕駛員右耳處有2 000 Hz的噪聲，同時發(fā)動機正時側(cè)在2 000 Hz存在噪聲峰值，結(jié)合前期發(fā)動機聲源定位數(shù)據(jù)推斷，該異響為正時罩蓋共振輻射噪聲。發(fā)動機及整車噪聲測試數(shù)據(jù)及發(fā)動機聲源定位圖，見圖1和圖2。

3　發(fā)動機模態(tài)分析

圖1　發(fā)動機及整車噪聲測試結(jié)果

圖2　發(fā)動機聲源定位圖

為準(zhǔn)確地模擬正時齒輪罩蓋實際工作情況，同時驗證理論分析與試驗測試結(jié)果的差異性，對發(fā)動機整機及正時齒輪罩蓋單體進行有限元分析。

將單體、整機有限元模型導(dǎo)入Abaqus軟件中進行求解，得到整機各階次的模態(tài)振型及頻率。其中有3個階次的發(fā)動機，在聲源定位處存在模態(tài)振型。模態(tài)頻率如表1所示，模態(tài)振型如圖3和圖4所示。

表1　整機模態(tài)頻率

從圖3發(fā)動機整機模態(tài)振型上看，發(fā)動機在模態(tài)階數(shù)為1、2和3時，模態(tài)頻率均在2 000 Hz左右。表明理論模態(tài)分析與實際NVH試驗測試結(jié)果基本相符，同時3階頻率模態(tài)振型位置均在正時罩蓋本體上，整機其他位置無明顯模態(tài)振型；因此改善此處振型需從正時齒輪罩蓋本體入手。從圖4單體模態(tài)振型上看，正時齒輪罩蓋處的主要振型方向為前、后方向。

圖3　整機模態(tài)振型

4　方案討論及目標(biāo)確定

4.1基本原理

物體自身模態(tài)頻率棕可由下式求得：

式中，

k——物體自身結(jié)構(gòu)剛度；

m——物體本身質(zhì)量；

濁——安全系數(shù)。

物體自身抗彎截面系數(shù)Wz可由下式求得：

式中，

b——物體自身寬度；

h——物體自身高度/厚度。

從圖5諧階激勵響應(yīng)圖譜可知，孜越大，兩個物體之間共振的幅值越小，因此安全系數(shù)一般定為1.3。

圖4　正時齒輪罩蓋單體模態(tài)振型

圖5　諧階激勵響應(yīng)圖譜

4.2改進方案及目標(biāo)的確定

由式（1）可知，增加結(jié)構(gòu)的剛度k可以有效地提高物體自身模態(tài)頻率；同時通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計減小輻射噪聲表面面積，也是控制表面輻射噪聲的有效措施。

由式（2）可知，增加物體的厚度或高度h，可以有效地提高物體自身的抗彎截面系數(shù)，進而增強物體自身的剛度。

根據(jù)上述分析，決定采用改變正時齒輪罩蓋自身厚度、結(jié)構(gòu)等方案，提高其結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)頻率；同時考慮1.3的安全系數(shù)，將整機狀態(tài)下聲源定位處的模態(tài)頻率目標(biāo)值提高至2 600 Hz。

4.2.1增加正時齒輪罩殼壁厚

改進優(yōu)化方案1：為了提高前、后方向的抗彎截面系數(shù)，將正時齒輪罩蓋整體壁厚由3 mm增加到4 mm，其他結(jié)構(gòu)不變，以提高結(jié)構(gòu)剛度，產(chǎn)品重量增加14%。

4.2.2正時齒輪罩蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

改進優(yōu)化方案2：為了改變正時齒輪罩殼的模態(tài)頻率，從下面2個方面采取改進措施：（1）為了減小大平面結(jié)構(gòu)，在前端上面原單一大平面上，增加一層臺階結(jié)構(gòu)，并在局部位置增加圓球形、異形凸起結(jié)構(gòu)；（2）為了改善結(jié)構(gòu)剛度，在背部增加了加強筋數(shù)量及高度。正時齒輪罩殼結(jié)構(gòu)改進前后參見圖6和圖7。

5　改進效果對比

5.1整機模態(tài)分析對比

采用方案1，整機狀態(tài)下噪聲源處的模態(tài)頻率為2 229 Hz。相比原方案，方案1的模態(tài)頻率提高了139Hz，但仍未達到初始設(shè)定目標(biāo)2 600 Hz的要求，見圖8。

圖6　改進前后正時齒輪罩蓋結(jié)構(gòu)對比（正面）

圖7　改進前后正時齒輪罩蓋結(jié)構(gòu)對比（反面）

圖8　方案1的整機模態(tài)振型

采用方案2，整機狀態(tài)下噪聲源處的模態(tài)頻率為2 642 Hz。相比原方案，方案2的模態(tài)頻率提高了552 Hz，達到了初始設(shè)定目標(biāo)的要求，見圖9。

經(jīng)過理論分析表明，方案2改善效果較方案1明顯，且模態(tài)頻率大于目標(biāo)值2 600 Hz要求。采用方案2可以解決此問題，同時產(chǎn)品重量沒有增加。

圖9　方案2的整機模態(tài)振型

5.2整機試驗測試結(jié)果對比

對方案2改善后的正時齒輪罩蓋樣件分別進行了發(fā)動機及整車NVH的測試。整車在怠速工況下，發(fā)動機正時齒輪罩蓋2 000 Hz的輻射噪聲峰值降低了8 dBA，見圖10；發(fā)動機在怠速工況下，發(fā)動機正時罩蓋2 000 Hz輻射噪聲峰值降低9 dBA，改善效果明顯，見圖11。

圖10　整車噪聲測試結(jié)果

圖11　發(fā)動機臺架噪聲測試結(jié)果

6　總結(jié)

（1）通過對發(fā)動機整機及正時齒輪罩蓋分別進行模態(tài)分析，判定理論分析與實際測試的差異性。

（2）通過增加加強筋的數(shù)量、更改正時齒輪罩蓋表面結(jié)構(gòu)，提高了噪聲源處的模態(tài)頻率，減少大平面結(jié)構(gòu)的面積，起到了降低輻射噪聲的作用；同時正時齒輪罩蓋自身重量未增加，保證發(fā)動機整體質(zhì)量與更改前一致，避免成本增加。

（3）最終通過發(fā)動機臺架及整車NVH的測試，改進后正時齒輪罩蓋在2 000 Hz處的發(fā)動機噪聲峰值降低了9 dBA，整車噪聲降低了8 dBA，改善效果明顯。

參考文獻

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Optimization of Timing Cover of A Gasoline Engine to Reduce Radiated Noise

Su Peng, Chang Mingming, Bai Guodong, Qin Shaobo, Song Zhaozhe

（1. Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000, China;

2. Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center, Baoding 071000, China）

Abstract:To reduce the radiated noise from the timing cover of an gasoline engine, a finite element analysis of the whole engine was conducted according to the results of actual NVH test of the vehicle to locate the noise source-engine timing cover. Then mode frequency of the cover was analyzed and the solution to the problem was developed. Validated by NVH test, the solution can reduce the radiated noise of the engine and vehicle by 9 dBA and 8 dBA respectively.

Key words:gasoline engine, timing cover, radiated noise

作者簡介：宿朋（1989-），男，助理工程師，主要研究方向為發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.007