楊 林，劉進(jìn)偉，劉志友，唐 程

（隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司，重慶400052）

某排量為300cc的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)在方案樣機(jī)階段，怠速（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：1 500 rpm）工況下整機(jī)噪聲水平較差，嚴(yán)重影響該機(jī)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。需準(zhǔn)確識(shí)別整機(jī)的主要噪聲源和根本影響因素，對(duì)其進(jìn)行有效設(shè)計(jì)和優(yōu)化，控制主要噪聲源，提升整機(jī)噪聲水平，為提升其它載體的噪聲水平奠定聲學(xué)研究基礎(chǔ)[1]。

摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械噪聲的因素很多，噪聲類型多種多樣，因此通過發(fā)動(dòng)機(jī)表面產(chǎn)生的輻射噪聲去識(shí)別噪聲源，需要采用合理的測(cè)試方案。本文使用Microflown Technologies公司的專業(yè)測(cè)試設(shè)備，通過麥克風(fēng)探頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面進(jìn)行聲強(qiáng)掃描，生成直觀的聲強(qiáng)云圖，判定發(fā)動(dòng)機(jī)各部位的噪聲大小，然后分析頻譜特征，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件特征頻率，確定產(chǎn)生主要噪聲的零部件。

1 噪聲測(cè)試和分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噪聲水平進(jìn)行摸底，該測(cè)試在環(huán)境噪聲為35dB（A）的半消聲室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試方案如圖1所示，麥克風(fēng)距離發(fā)動(dòng)機(jī)1 m，整機(jī)噪聲聲壓級(jí)為71.1 dB（A）.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試

采用Microflown聲學(xué)測(cè)試設(shè)備的麥克風(fēng)P-U探頭掃描怠速工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)表面，分析U通道數(shù)據(jù)，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)表面的聲強(qiáng)云圖，如圖2所示。從發(fā)動(dòng)機(jī)表面的聲強(qiáng)云圖中，可得出該發(fā)動(dòng)機(jī)右曲軸箱蓋離合器外側(cè)的輻射噪聲貢獻(xiàn)量最大，該區(qū)域存在的運(yùn)動(dòng)件為：離合器、初級(jí)傳動(dòng)齒輪、軸承等。噪聲貢獻(xiàn)量其次的部位包括氣缸頭右側(cè)中部（鏈條腔外側(cè)）、平衡軸系外側(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)底部（主要為發(fā)動(dòng)機(jī)底部輻射噪聲與支架反射造成）。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)聲強(qiáng)云圖

產(chǎn)生主要噪聲的類型大致為：齒輪嚙合噪聲、軸承撞擊噪聲、離合器膜片摩擦噪聲等，為確定產(chǎn)生主要噪聲的運(yùn)動(dòng)部件，需對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行傅里葉變化分析，獲取噪聲的頻譜特性判斷噪聲源，頻譜特性結(jié)果如圖3所示。

圖3 噪聲頻譜特性

由頻譜特性分析結(jié)果得出該發(fā)動(dòng)機(jī)的主要峰值噪聲為 550 Hz、1 050 Hz、1 650 Hz，這些頻率均為發(fā)動(dòng)機(jī)基頻的高階倍頻。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速1 500 rpm工況下各運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，可確定這三個(gè)主要峰值頻率為初級(jí)傳動(dòng)齒輪（主動(dòng)齒輪的齒數(shù)為22）嚙合的1階頻率、2階頻率、3階頻率。在嚙合的2階頻率1 050 Hz下最大，是由于該發(fā)動(dòng)機(jī)配有平衡軸系統(tǒng)，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的1階往復(fù)慣性力進(jìn)行有效平衡，導(dǎo)致齒輪在發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)頻率下的嚙合噪聲突出。

2 齒輪嚙合噪聲分析

齒輪嚙合噪聲的產(chǎn)生是由于點(diǎn)火后發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸突然加速，主動(dòng)齒角速度加快，使得主動(dòng)齒撞擊從動(dòng)齒發(fā)出聲音。排氣行程減速時(shí)，主動(dòng)齒角速度減慢，若主從齒輪之間存在一定間隙，導(dǎo)致從動(dòng)齒撞擊主動(dòng)齒而發(fā)出聲音。間隙越大，撞擊造成的噪聲越大。因此產(chǎn)生齒輪嚙合噪聲的兩個(gè)要素為：曲軸轉(zhuǎn)速變化、齒隙的存在，其影響原理如下圖4所示。兩大要素中，消除某一要素，撞擊音就消失。

圖4 齒輪噪聲原理

齒輪在嚙合過程中，根據(jù)齒輪撞擊的能量守恒，得出：

在式（1）中，m為質(zhì)量；v為速度；E1為撞擊產(chǎn)生能量；E2為離合器吸收能量。因此，基于齒輪噪聲產(chǎn)生原理，提出以下對(duì)策[2，3]：

（1）主動(dòng)控制：保證燃燒的穩(wěn)定性，增大曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，齒隙零處理，提高齒輪精度，增加配對(duì)齒輪齒數(shù)等。

（2）被動(dòng)控制：提高離合器的減振效率，增加吸振裝置等。

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

因考慮到降低摩托車單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)和減小齒輪的嚙合間隙方案的實(shí)施難度較大，本文提出一種被動(dòng)控制策略方案，通過降低離合器的扭轉(zhuǎn)剛度，提升離合器減振能力[4]。

3.1 動(dòng)力學(xué)模型建立

利用1D動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析。該模型包括曲軸、離合器、變速器、軸承等系統(tǒng)，基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)總成基本參數(shù)

圖5 動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3.2 離合器剛度測(cè)量

該發(fā)動(dòng)機(jī)離合器采用6個(gè)橡膠減振，結(jié)構(gòu)如圖6所示。動(dòng)力學(xué)模型中用剛度和阻尼特性模擬離合器的減振效果，因離合器在工作過程中扭轉(zhuǎn)角度較小，需通過專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備測(cè)量其扭轉(zhuǎn)剛度值，其測(cè)試結(jié)果為圖7所示。

圖6 離合器剛度測(cè)試示意圖

圖7 離合器減振特性對(duì)比結(jié)果

表2 離合器基本參數(shù)

3.3 仿真分析

離合器在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因存在彈性減振系統(tǒng)，會(huì)在某個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)）頻率）下發(fā)生共振現(xiàn)象，因此需要分析三種類型離合器-軸系統(tǒng)的固有頻率是否與怠速工況下的激勵(lì)頻率25 Hz相同，分析結(jié)果如圖7所示。得出三種離合器-軸系的固有頻率依次為94 Hz、91 Hz、86 Hz，判定在怠速工況下無扭振問題發(fā)生[5，6]。

對(duì)不同扭轉(zhuǎn)剛度的離合器減振特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7所示，得出原狀態(tài)離合器受到的最大沖擊力矩達(dá)到36.2 N·m；扭轉(zhuǎn)剛度為24.2 N·m/deg的離合器受到28.19 N·m的沖擊力矩；扭轉(zhuǎn)剛度為20.6 N·m/deg的離合器受到19.25 N·m的沖擊力矩。結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)剛度越大，軸系受到的沖擊力矩越大，導(dǎo)致齒輪的撞擊音變大。

綜上分析，將離合器中6個(gè)橡膠的剛度值降低，滿足離合器的扭轉(zhuǎn)剛度為20.6 N·m/deg.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性，在與摸底試驗(yàn)相同工況下，進(jìn)行聲強(qiáng)掃描和噪聲測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)聲強(qiáng)云圖

圖9 噪聲聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果

與圖2的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從噪聲云圖比較可以看出，離合器部位的主要貢獻(xiàn)源噪聲分布發(fā)生了變化，右曲軸箱蓋離合器外側(cè)噪聲減小很明顯，減小3 dB左右。同時(shí)從圖9中可以看出，怠速工況下降噪效果為1.1 dB（A），而3 000 r/m和4 500 r/m工況下，降噪效果更明顯，達(dá)到4.5 dB（A）.表明了本次降低離合器扭轉(zhuǎn)剛度方案可行。

5 總結(jié)

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聲強(qiáng)掃描和頻譜特性分析，得出噪聲的最大貢獻(xiàn)源；然后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出造成噪聲最大的主要原因；并提出一種被動(dòng)控制策略，降低離合器扭轉(zhuǎn)剛度，提升離合器的減振能力。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，方案效果明顯，在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制分析方面具有一定的指導(dǎo)意義。

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