周斌

發(fā)動機(jī)油底殼的模態(tài)試驗及優(yōu)化設(shè)計

周斌

（西昌學(xué)院汽車與電子工程學(xué)院，四川西昌615013）

以某轎車發(fā)動機(jī)油底殼為對象，通過混合建模方式（即簡易力學(xué)模型與模態(tài)試驗結(jié)合）對油底殼的動態(tài)特性進(jìn)行研究，得到油底殼的模態(tài)頻率和振型。根據(jù)分析結(jié)果提出對油底殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，并對改進(jìn)后的油底殼進(jìn)行模態(tài)分析和聲學(xué)驗證，結(jié)果表明：改進(jìn)后的油底殼由于增加了剛度，降低了模態(tài)頻率密度，減少了發(fā)生共振的機(jī)會，油底殼輻射噪聲對整機(jī)噪聲貢獻(xiàn)率明顯降低。

油底殼；振動；噪聲；模態(tài)試驗；聲學(xué)驗證

0 引言

汽車發(fā)動機(jī)的噪聲主要包括進(jìn)排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲、燃燒噪聲、機(jī)械噪聲等，隨著發(fā)動機(jī)向高速、輕型、大功率化發(fā)展，人們對發(fā)動機(jī)的振動噪聲更加關(guān)注。油底殼作為發(fā)動機(jī)的薄壁件，是發(fā)動機(jī)工作時振動輻射噪聲的主要來源之一，占總噪聲輻射的20%左右[1]。因此，對油底殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是降低發(fā)動機(jī)噪聲的重要措施。本文利用對某款發(fā)動機(jī)油底殼的混合建模方式（即簡易力學(xué)模型與模態(tài)試驗結(jié)合），得到其各階的傳遞函數(shù)和振動模態(tài)，確定其薄弱環(huán)節(jié)，對油底殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗驗證改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有效性。

1 油底殼的模態(tài)試驗

1.1 試驗方法

試驗采用捶擊法模態(tài)試驗方法，并結(jié)合系統(tǒng)軟件進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)試驗系統(tǒng)連接如圖1所示。

圖1 模態(tài)試驗測試系統(tǒng)

為了能夠真實反映油底殼振動的實際情況，充分顯示結(jié)構(gòu)較高階模態(tài)振型，在油底殼上共布置了75個測點，如圖2所示。

圖2 油底殼測點布置

為了能夠得到與發(fā)動機(jī)實際工作相吻合的激振頻率，本試驗采用在整車上測得的多個激勵點激勵所得的若干列頻響函數(shù)來進(jìn)行參數(shù)識別。選用Ploymax模態(tài)識別模塊，依據(jù)穩(wěn)態(tài)圖進(jìn)行模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼的識別(圖3)。選用最小二乘復(fù)頻域方法進(jìn)行模態(tài)振型值的計算。再利用模態(tài)置信因子(MAC)和模態(tài)參預(yù)因子對識別出的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢驗[2,3]。

圖3 PolyMax法精確提取模態(tài)參數(shù)

1.2 油底殼模態(tài)試驗結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)特性主要指振型、固有頻率和傳遞函數(shù)。對于一個確定的結(jié)構(gòu)，在確定的激振點和響應(yīng)點之間的傳遞函數(shù)是一個定值。發(fā)動機(jī)油底殼的剛度較差，通過其輻射的噪聲占據(jù)總輻射噪聲的20%左右。因此，測試油底殼不同部位的傳遞函數(shù)，合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對降低整車的輻射噪聲顯得特別重要。

本文采用加速度傳感器測試不同測試點的傳遞函數(shù)，選取具有代表性的測點進(jìn)行研究，找出油底殼的薄弱部位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。圖4～6是具有代表性的59測點、22測點和31測點的各階傳遞函數(shù)及模態(tài)擬合，圖7～10為油底殼的一階到四階振動模態(tài)。

圖4 第59點各階的傳遞函數(shù)bode圖及模態(tài)擬合

圖5 第22點各階的傳遞函數(shù)bode圖及模態(tài)擬合

圖6 第31點各階的傳遞函數(shù)bode圖及模態(tài)擬合

圖7 一階振動模態(tài)

圖8 二階振動模態(tài)

圖9 三階振動模態(tài)

圖10 四階振動模態(tài)

由傳遞函數(shù)和振動模態(tài)圖可以看出，在59測點位置油底殼的振動最為劇烈，各測點傳遞函數(shù)最大值均出現(xiàn)在1 200 Hz附近，且由于油底殼的壁厚比較薄，模態(tài)密度比較大[4]。

2 油底殼的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及聲學(xué)驗證

2.1 油底殼的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)以上分析，提出在油底殼相應(yīng)部位增加加強(qiáng)筋的方法來改善油底殼的剛度，圖11為原油底殼的結(jié)構(gòu)圖，圖12為改進(jìn)后油底殼的結(jié)構(gòu)圖，加強(qiáng)筋高度4 mm，寬度15 mm。

圖11 原油底殼

圖12 改進(jìn)后油底殼

同樣對改進(jìn)后的油底殼進(jìn)行模態(tài)試驗與分析，得到改進(jìn)前后的油底殼模態(tài)參數(shù)對比如表1所示。改進(jìn)后的油底殼和改進(jìn)前的油底殼模態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，模態(tài)頻率有了較明顯的提高，模態(tài)密度變小，說明在某個頻率范圍內(nèi)的模態(tài)頻率數(shù)量減少，發(fā)生共振的機(jī)會減小，對限制振動和減小輻射噪聲具有一定的作用。

表1 油底殼改進(jìn)前后模態(tài)參數(shù)對比

2.2 油底殼改進(jìn)后的聲學(xué)驗證

為了驗證改進(jìn)后的油底殼對減少輻射噪聲的作用，本試驗采用國際通用的窗口法，排除其他部件對油底殼的影響，直接測量油底殼被發(fā)動機(jī)激勵后所發(fā)出的噪聲水平及其所占整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率[5]。圖13為改進(jìn)前油底殼的噪聲水平及占整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率，圖14為改進(jìn)后油底殼的噪聲水平及占整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率，對比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后油底殼輻射噪聲明顯降低，對發(fā)動機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率由8.3%降低到了5.3%。

圖13 改進(jìn)前油底殼噪聲貢獻(xiàn)

圖14 改進(jìn)后油底殼噪聲貢獻(xiàn)

3 結(jié)語

發(fā)動機(jī)的眾多零件中，油底殼是一個大面積的薄壁零件，剛度較低，在發(fā)動機(jī)的激勵作用下會產(chǎn)生較大的振動，對發(fā)動機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)率較大。合理設(shè)計油底殼的結(jié)構(gòu)，可以有效降低油底殼的振動和輻射噪聲。本文通過油底殼的混合建模方式，對油底殼進(jìn)行的模態(tài)試驗和分析，根據(jù)試驗結(jié)果，找出油底殼的薄弱環(huán)節(jié)，提出油底殼的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并對改進(jìn)前后的油底殼進(jìn)行模態(tài)試驗對比和聲學(xué)試驗對比，驗證了改進(jìn)油底殼的降噪減振作用。

[1]韓松濤.內(nèi)燃機(jī)的振動噪聲控制及現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)研究[D].天津：天津大學(xué)，2002.

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[3]袁衛(wèi)平.內(nèi)燃機(jī)噪聲測量不確定度[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003(1):105-108.

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[5]SHANGGUAN W-B,LU Z-H.Experimental Study and Simulation of a Hydraulic Engine Mount With Fully Coupled Fluid Structure Interaction Finite Clement Analysis Model.Comput Struct 2004,82，(22):1751-1771.

Modal Test and Optimization Design of Engine Oil Pan

ZHOU Bin
(School of Automotive and Electronic,Xichang College，Xichang,Sichuan 615013,China)

In this paper,the oil pan of engine is taken an example to study,analyses the dynamic characteristics by the method of hybrid modeling,gaining the modal frequency and vibration mode of the oil pan.According to the results,measures to improve the structure of the oil pan are put forward,and the modal analysis and acoustic test have been made.The results show that,by increasing the stiffness of the oil pan that makes modal frequency density decreases,it reduces the possibility of resonance occurring,oil pan radiation noise contribution rate decreased to engine noise.

oil pan;vibration;noise;modal test;acoustic test

TK401；U464

A

1673-1891（2016）01-0034-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.01.010

2015-11-12

周斌（1981—），男，四川西昌人，講師，碩士，研究方向：汽車發(fā)動機(jī)。