李 連

（重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司，重慶 401122）

摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)異響噪聲識(shí)別與優(yōu)化

李 連

（重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司，重慶 401122）

針對(duì)某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下噪聲較大且存在異響噪聲的現(xiàn)象，采用主觀分析、計(jì)算機(jī)仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試分析的綜合分析方法，對(duì)異響噪聲源進(jìn)行定位。綜合分析結(jié)果顯示，該異響噪聲來(lái)自于曲軸箱附近，且構(gòu)成該異響噪聲的頻率主要來(lái)自于1600Hz～2400Hz左右。根據(jù)噪聲源識(shí)別結(jié)果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果使得發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲降低1.6dB(A)，且異響噪聲被消除。

摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)；異響噪聲；識(shí)別；優(yōu)化

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-76-03

前言

噪聲問題是當(dāng)今世界的熱議話題之一。摩托車噪聲作為環(huán)境噪聲的重要來(lái)源之一，其影響不容忽視。降低摩托車噪聲既是我國(guó)相關(guān)法律法規(guī)的要求，也是企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)能力的集中體現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)異響是發(fā)動(dòng)機(jī)中比較常見的問題，是發(fā)動(dòng)機(jī)非正常工作的一種表現(xiàn)[1-2]。異響噪聲問題一方面大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，另一方面嚴(yán)重影響駕乘人員的主觀感受。因此，降低摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能和駕駛舒適性都有著至關(guān)重要的作用。

1、問題描述與分析路線

圖1 技術(shù)路線

本文以一摩托車用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，旨在識(shí)別并消除其工作過(guò)程中出現(xiàn)的異響噪聲。該發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工作過(guò)程中出現(xiàn)“哐哐哐”的異響噪聲，為消除該異響噪聲，本文制定如圖1所示的技術(shù)路線。根據(jù)異響噪聲的特點(diǎn)，在實(shí)際研究過(guò)程中，首先對(duì)該異響噪聲進(jìn)行主觀分析與評(píng)價(jià)，進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果，采用仿真和試驗(yàn)綜合分析的方法對(duì)異響噪聲源進(jìn)行定位，最后根據(jù)噪聲源定位結(jié)果對(duì)異響噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

2、主觀分析

主觀分析與試驗(yàn)分析均在半消聲室中進(jìn)行。為研究方便，將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝于臺(tái)架之上，并且定義如圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)坐標(biāo)系。整機(jī)坐標(biāo)系Y軸沿活塞運(yùn)動(dòng)方向，以自然向上方向?yàn)檎较?；整機(jī)坐標(biāo)系Z軸與曲軸旋轉(zhuǎn)軸平行，以圖示左側(cè)為正方向；整機(jī)坐標(biāo)系X軸正方向通過(guò)右手定則確定。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型及坐標(biāo)系

將發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速空載下工況下運(yùn)行，并保持該狀態(tài)約5min中左右，以使發(fā)動(dòng)機(jī)得到充分熱機(jī)。接著，對(duì)熱機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行聽覺上的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面有比較明顯的高頻高幅振動(dòng)，且從曲軸箱內(nèi)輻射出非常明顯的異響噪聲，該異響噪聲在曲軸箱右側(cè)的聲響度高于左側(cè)。由以往研究可知，引起發(fā)動(dòng)機(jī)異響的最主要的原因有兩個(gè)：其一是運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)不合理，以致其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)法對(duì)自身進(jìn)行解耦產(chǎn)生共振；其二可能是運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的激勵(lì)對(duì)其他部件引起共振，這也是在設(shè)計(jì)階段較難控制的問題之一[3-4]。由此，本文根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的特性綜合分析，從主觀上猜想引起其異響的原因可能是曲軸運(yùn)動(dòng)的某一階激勵(lì)引起曲軸箱體的共振。為此，本文繼續(xù)開展以下工作，以對(duì)該猜想進(jìn)行驗(yàn)證。

3、仿真分析

為驗(yàn)證該異響是否由發(fā)動(dòng)機(jī)箱體共振引起，本文首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體進(jìn)行模態(tài)分析。綜合考慮建模的難度及計(jì)算的效率和精度，本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體進(jìn)行有限元離散時(shí)采用單元基本尺寸為3mm的四面體單元，對(duì)曲軸進(jìn)行有限元離散時(shí)采用單元基本尺寸為2mm的六面體單元。

表1 自由模態(tài)分析仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

自由模態(tài)分析的目的主要是為了校核有限元離散的準(zhǔn)確性。2500Hz以內(nèi)的自由模態(tài)的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的模態(tài)頻率對(duì)比如表1所示，從表中可以看出，二者相差較小，可認(rèn)為該有限元模型可用于后期計(jì)算。

為更準(zhǔn)確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的整機(jī)變形情況，本文選擇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和曲軸進(jìn)行約束模態(tài)分析。在進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上的安裝情況，將螺釘處進(jìn)行全約束，以使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況。大量文獻(xiàn)顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)所輻射的噪聲注意集中在低頻段，高頻段對(duì)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)較小[5-7]。因此，本文選擇并計(jì)算0～3000 Hz以內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和曲軸的約束模態(tài)，該頻率范圍包含怠速工況下曲軸以25Hz為基頻的120階激勵(lì)。

表2 機(jī)體和曲軸約束模態(tài)的模態(tài)頻率分布

從上表可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體在約束狀態(tài)下模態(tài)比較集中，這些模態(tài)很容易被外部激勵(lì)力激發(fā)，從而引起共振。將機(jī)體的約束模態(tài)頻率與曲軸的約束模態(tài)頻率進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)體的第8階和第11階模特頻率與曲軸的第4階和第5階模態(tài)頻率非常接近。機(jī)體的第8階和第11階模特如圖3和圖4所示，其模態(tài)主要表現(xiàn)在曲軸箱體上的振動(dòng)；曲軸的第4階和第5階模態(tài)如圖5和圖6所示，其分別為曲軸的橫向彎曲模態(tài)和縱向彎曲模態(tài)。因此，當(dāng)曲軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，其第4階和第5階模態(tài)很可能會(huì)激起機(jī)體的第8階和第11階模特，從而產(chǎn)生共振，形成敲擊，輻射出噪聲。

圖3 機(jī)體第8階模態(tài)

圖4 機(jī)體第11階模態(tài)

圖5 曲軸第4階模態(tài)

圖6 曲軸第5階模態(tài)

4、試驗(yàn)分析

仿真分析從理論上驗(yàn)證了主觀分析中猜想的正確性。為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析的結(jié)論，本文進(jìn)一步對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下噪聲頻譜特性進(jìn)行分析。頻譜分析過(guò)程中，在曲軸箱左右兩側(cè)（左側(cè)為Z軸負(fù)方向，右側(cè)為Z軸正方向）分別布置一個(gè)聲傳感器，距離曲軸箱體表面5cm，噪聲測(cè)試方法參考GB/T 1859-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法》。

通過(guò)測(cè)試，得到20s穩(wěn)態(tài)測(cè)試中發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)聲壓級(jí)如圖7和圖8所示，從左右兩側(cè)聲壓級(jí)頻譜圖上可以看出，左側(cè)高聲壓級(jí)主要表現(xiàn)在低頻段，隨著頻率地升高，聲壓級(jí)逐漸降低，該特性符合輻射噪聲的低頻特性；但在右側(cè)聲壓級(jí)頻譜圖中，1600Hz～2400Hz表現(xiàn)出了高頻特性，該現(xiàn)象屬于非正?，F(xiàn)象，并且高聲壓級(jí)頻率段包含仿真分析中的共振模態(tài)頻率。結(jié)合主觀分析結(jié)果，定位異響噪聲源為右側(cè)曲軸箱體。

圖7 左側(cè)聲壓級(jí)頻譜

圖8 右側(cè)聲壓級(jí)頻譜

5、噪聲優(yōu)化

根據(jù)噪聲源定位結(jié)果，選擇右側(cè)曲軸箱體為優(yōu)化對(duì)象。右側(cè)曲軸箱體主要包括軸承安裝部分和曲軸箱蓋。綜合考慮優(yōu)化工作的有效性、可行性和成本的高低，本文選擇在原機(jī)基礎(chǔ)上添加一顆合箱螺釘，并在右側(cè)曲軸箱體內(nèi)增加一處加強(qiáng)筋。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)噪聲頻譜

將優(yōu)化后的模型更換至原機(jī)，并對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。主觀分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)異響消除噪聲且整機(jī)場(chǎng)外噪聲有所改善。進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聲壓級(jí)測(cè)試和噪聲頻譜測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中僅選擇發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試位置與原機(jī)測(cè)試位置相同。測(cè)試結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)總聲壓級(jí)從79.8dB(A)降低到78.2dB(A)，降低幅度為1.6dB(A)。右側(cè)噪聲頻譜如圖7所示，從圖中可以看出，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲較原發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲有明顯改善，且在1600Hz～2400Hz內(nèi)的高噪聲現(xiàn)象基本消失。

6、結(jié)論

針對(duì)單缸汽油機(jī)異響噪聲現(xiàn)象，綜合運(yùn)用主觀分析方法、仿真分析方法和試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)異響噪聲源進(jìn)行定位。定位結(jié)果顯示，右側(cè)曲軸箱為異響噪聲源。根據(jù)定位結(jié)果，以提高整機(jī)剛度為目的，對(duì)噪聲源進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將優(yōu)化后的部件更換至原機(jī)并進(jìn)行噪聲試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，整機(jī)噪聲得到改善，異響噪聲消除，達(dá)到了本研究工作的目的。

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Motorcycle engine louder noise identification and optimization

Li Lian
( Chongqing vehicle test institute co., LTD., Chongqing 401122 )

The research is developed for the high noise and abnormal noise in a single-cylinder motorcycle engine under idle condition. In this research, the comprehensive analysis method of subjective analysis, computer aided analysis and experiment analysis is used. The results of comprehensive method show that abnormal noise is radiated around the crankcase. Afterwards, the engine structure is optimized based on the analysis results. Later on, the bench test shows that overall engine noise is reduced by 1.6dB(A) and the abnormal noise is eliminated through the optimization.

motorcycle engine; abnormal noise; identify; optimization

U464

A

1671-7988 (2017)05-76-03

李連，就職于重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.025