王 琱，李 偉

原 創(chuàng)

發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈盒NVH性能分析及解決方案

王 琱，李 偉

(李斯特技術(shù)中心(上海)有限公司，上海 201206)

發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈盒是發(fā)動(dòng)機(jī)前端主要噪聲源之一。以某1.8 L TGDI直列4缸汽油機(jī)為例，通過在半消聲室內(nèi)測量發(fā)動(dòng)機(jī)1 m噪聲聲壓級和表面結(jié)構(gòu)振動(dòng)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈盒振動(dòng)響應(yīng)和輻射噪聲。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化和模擬分析的方法來研究正時(shí)鏈盒噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)優(yōu)化方案，縮短了零部件設(shè)計(jì)時(shí)間和開發(fā)周期，大大提高了設(shè)計(jì)效率。在邊界條件允許的情況下，正時(shí)鏈盒振型較大區(qū)域增加固定點(diǎn)比優(yōu)化筋布置結(jié)構(gòu)對改善正時(shí)鏈盒NVH更有效。試驗(yàn)結(jié)果表明，在正時(shí)鏈盒上增加1個(gè)與缸體間螺栓固定點(diǎn)和外表面貼覆復(fù)合式靜音鋼板的方法可減小正時(shí)鏈盒振動(dòng)和輻射噪聲，使發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲降低了4.4 dB(A)，最終滿足NVH性能要求。此類研究方法和結(jié)果對發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈盒類似薄壁覆蓋件設(shè)計(jì)方向具有重要參考意義。

正時(shí)鏈盒 性能 有限元分析 復(fù)合靜音鋼板

0 前言

在我國，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲約占汽車總噪聲的55%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于沖擊、摩擦、旋轉(zhuǎn)周期性和不均勻性等原因激起零部件的機(jī)械振動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生噪聲。當(dāng)激振力頻率與零部件的固有頻率相一致時(shí)，還會(huì)引起激烈的共振和噪聲，正時(shí)鏈系統(tǒng)屬于這類噪聲。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒激勵(lì)力和機(jī)械激勵(lì)力通過各種零件傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)外表面上，形成表面的振動(dòng)響應(yīng)，表面振動(dòng)又激發(fā)空氣介質(zhì)振動(dòng)而形成聲波向外輻射[1-2]，正時(shí)鏈盒表面振動(dòng)輻射噪聲屬于這類。機(jī)械噪聲隨轉(zhuǎn)速的提高而迅速增加[3]，因此，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不相同。

無論汽油機(jī)還是柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)端都是最重要的輻射噪聲源之一。以某1.5 L柴油機(jī)為例，轉(zhuǎn)速3 000 r/min全負(fù)荷工況正時(shí)端輻射噪聲源占動(dòng)力總成噪聲源的17%[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈盒屬于罩殼薄壁件，類似發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼和凸輪罩蓋等覆蓋件，這類結(jié)構(gòu)有2個(gè)缺點(diǎn)，剛度低和易形成放大輻射噪聲的大表面，需要增加固定點(diǎn)和合理布置加強(qiáng)筋的方法以加強(qiáng)剛度和優(yōu)化結(jié)構(gòu)避免大平坦表面。另外，在正時(shí)鏈盒上部布置可變氣門正時(shí)(VVT)電磁閥，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于VVT自身重力作用成為附加的激勵(lì)力，使正式鏈盒的噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)性能變差。

近年來，國內(nèi)外車輛由于噪聲法規(guī)明顯收緊，噪聲限值越來越嚴(yán)格，而在現(xiàn)有燃油經(jīng)濟(jì)性壓力下，未來發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展卻越來越輕量化，這對發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲排放有負(fù)面影響。因此在新的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化同時(shí)還需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平，不斷研究開發(fā)新方案。一種方法是優(yōu)化關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)，降低噪聲源，另一種有效方法是增加外圍覆蓋件剛度和阻尼，降低表面振動(dòng)響應(yīng)，以及加裝隔音罩或采用減振橡膠墊和隔振螺栓來阻隔噪聲輻射傳遞。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及NVH指標(biāo)

以某1.8 L TGDI直列4缸直噴汽油機(jī)為例，在半消聲室內(nèi)測量發(fā)動(dòng)機(jī)1 m噪聲聲壓級和表面結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和前端正時(shí)鏈盒振動(dòng)響應(yīng)及輻射噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)主要尺寸和指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及NVH指標(biāo)

從圖1中本樣機(jī)1 m平均聲壓級指標(biāo)與類似配置的增壓汽油機(jī)滿載時(shí)噪聲范圍結(jié)果比較可見，樣機(jī)1 m噪聲性能指標(biāo)分布在類似配置機(jī)型噪聲分布范圍內(nèi)的中間位置，說明樣機(jī)具有合理的NVH性能指標(biāo)，優(yōu)化后實(shí)際測量發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的NVH性能均優(yōu)于類似配置的發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2 正時(shí)鏈盒特性分析

正時(shí)鏈盒位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，其主要功能是覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，負(fù)載VVT電磁閥，負(fù)荷強(qiáng)度小。本樣機(jī)正時(shí)鏈盒材料采用AlSi9Cu3，高壓鑄造成型，鏈盒厚度2.5 mm，質(zhì)量1.4 kg。因此，在外形設(shè)計(jì)適當(dāng)布置固定點(diǎn)位置后，金屬材料的強(qiáng)度很容易滿足工作強(qiáng)度要求，正時(shí)鏈盒需要考慮的是隔離噪聲和振動(dòng)穩(wěn)定性問題。隔離噪聲和振動(dòng)穩(wěn)定性都需要通過提高鏈盒剛度來完成，所以剛度設(shè)計(jì)是優(yōu)化重點(diǎn)。

正時(shí)鏈盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心是設(shè)計(jì)出動(dòng)剛度比較高的結(jié)構(gòu)，動(dòng)剛度在數(shù)值上等于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位振幅所需的激勵(lì)力，動(dòng)剛度越大，在一定激勵(lì)作用下產(chǎn)生的振幅越小，那么構(gòu)件抗振能力越強(qiáng)。提高動(dòng)剛度的幾個(gè)常見措施是：(1)提高靜剛度；(2)提高固有頻率；(3)增加系統(tǒng)的阻尼比。

2 臺(tái)架設(shè)備及測量結(jié)果

2.1 測量設(shè)備和臺(tái)架布置

為了得到準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)結(jié)果，噪聲測試在全封閉、精密級的發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)架測試半消聲頻率為200 Hz。1 m噪聲聲壓級測量設(shè)備由B&K型號(hào)4191麥克風(fēng)、型號(hào)2669前置放大器、型號(hào)4231的聲學(xué)校準(zhǔn)器和多通道NVH分析系統(tǒng)組成。結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析測量設(shè)備由B&K型號(hào)4393的加速度傳感器、型號(hào)4292的聲學(xué)校準(zhǔn)器和多通道NVH分析系統(tǒng)組成。聲學(xué)攝像系統(tǒng)由Müller BBM公司AK310螺旋陣列的361/4的MC M360麥克風(fēng)組成，螺旋中心的麥克風(fēng)和1 m處空氣噪聲麥克風(fēng)位置相重合。

在臺(tái)架上模擬發(fā)動(dòng)機(jī)處于整機(jī)安裝狀態(tài)(不包含空氣濾清器及排氣管)，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)處于由發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋上方、發(fā)電機(jī)左側(cè)、增壓器右側(cè)、曲軸帶輪前端和飛輪殼后端邊緣所形成的矩形六面體包絡(luò)箱內(nèi)，有5個(gè)麥克風(fēng)分別正對包絡(luò)面中心距中心1 m的位置，其中油底殼下方有1個(gè)麥克風(fēng)距油底殼下平面0.35 m，如圖2所示。1 m平均聲壓級采用發(fā)動(dòng)機(jī)周圍6個(gè)麥克風(fēng)測量1 m距離的平均聲壓級的方式計(jì)算：

(1)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)周圍麥克風(fēng)布置示意圖

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源聲功率級測量

發(fā)動(dòng)機(jī)周圍布置的麥克風(fēng)用來測量發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行工況，包括700 r/min怠速工況、1 500 r/min最大扭矩點(diǎn)和5 000 r/min額定功率工況點(diǎn)時(shí)，全負(fù)荷、50%負(fù)荷、空載和倒拖節(jié)氣門全開時(shí)1/3倍頻程與聲壓級的關(guān)系。這里僅研究發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈盒輻射噪聲，因此圖3和表2中分別列出了發(fā)動(dòng)機(jī)前端麥克風(fēng)3檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果。頻域圖曲線表明，1 m聲壓級噪聲隨著轉(zhuǎn)速升高而升高，曲軸系統(tǒng)發(fā)出機(jī)械噪聲，噪聲頻率1 800 Hz左右，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈盒輻射出來，怠速時(shí)尤為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端1 m噪聲滿足NVH設(shè)定目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)前端1 m怠速聲壓級平均值高于目標(biāo)值2～4 dB(A)。

表2 不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測量

2.3 正時(shí)鏈盒表面振動(dòng)與輻射噪聲

結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)響應(yīng)與表面輻射噪聲之間有著密切關(guān)系，可用表面振動(dòng)速度或加速度的平均均方值表示噪聲，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，噪聲、速度和加速度也增加。正時(shí)鏈盒表面振動(dòng)相應(yīng)和表面輻射噪聲之間可按降噪板的輻射噪聲來考慮，因此表面輻射聲功率可表示為：

(2)

圖3 不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)前端1 m噪聲

噪聲聲壓為：

LpA=10lg(Wrad/W0)-8

(3)

式(3)中，W0=10-12W，LpA為噪聲聲壓，dB(A)。

根據(jù)以上分析可知，表面輻射聲功率與表面聲輻射系數(shù)、輻射面積和表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度成正比。因此降低以上任意因素都可以降低表面輻射噪聲。

為確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲源位置，分別在正時(shí)鏈盒上部、中部和下部的布置了5個(gè)一維振動(dòng)加速傳感器，其中在曲軸帶輪后面鏈蓋下部也布置1個(gè)加速度傳感器，以監(jiān)測未經(jīng)曲軸帶輪隔離的正時(shí)鏈盒振動(dòng)響應(yīng)。得到部件表面振動(dòng)加速度即可得到振動(dòng)速度，然后將各離散面積上測得的振動(dòng)速度平均得到正時(shí)鏈盒總的振動(dòng)速度。由于測得的線性譜僅反映了單個(gè)頻率下的響應(yīng)大小，因此測量完以后要把所測得線性譜轉(zhuǎn)化為1/3倍頻程加速度譜和速度譜。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異，不同零部件測試振動(dòng)噪聲水平會(huì)在目標(biāo)指導(dǎo)值上增加一修正值，正時(shí)鏈盒屬于薄壁類覆蓋件，修正值為7 dB(A)。因此發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈盒振動(dòng)響應(yīng)修正后目標(biāo)值為69 dB (A)。由圖4和圖5可知測得曲軸帶輪后的鏈盒中部和下部振動(dòng)噪聲分別為75 dB(A)和73 dB(A)，分別高于目標(biāo)值64 dB(A)和4 dB(A)。因此根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈盒的NVH表現(xiàn)，根據(jù)空間布置情況，建議鏈條罩蓋中下部外表面可貼覆對應(yīng)面積的降噪板以降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲水平。

圖4 700 r/min怠速時(shí)正時(shí)鏈盒中部振動(dòng)速度

圖5 700 r/min怠速時(shí)鏈蓋下部振動(dòng)速度

2.4 聲學(xué)照相機(jī)定位發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源

正時(shí)鏈盒內(nèi)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)噪聲的產(chǎn)生非常復(fù)雜，曲軸的扭振、鏈條和輪齒嚙合引起非線性沖擊和多邊形效應(yīng)引起的振動(dòng)以及零件制造誤差，都會(huì)激發(fā)正時(shí)鏈傳動(dòng)噪聲——哀鳴聲。這種哀鳴聲取決于嚙合沖擊力和發(fā)動(dòng)機(jī)部件與系統(tǒng)的響應(yīng)，特別是凸輪軸蓋和前端蓋類的罩殼件。這類罩殼件固有頻率較低，主要以輻射中低頻噪聲為主，在發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，表現(xiàn)尤為明顯。

圖6 光學(xué)照相機(jī)定位噪聲源

利用聲學(xué)照相機(jī)可監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)全工況運(yùn)行時(shí)前端不同位置頻率與聲壓級關(guān)系，從而定位噪聲源。如圖6所示，半消聲室內(nèi)聲學(xué)照相機(jī)測量的噪聲頻率的色譜圖，可知發(fā)動(dòng)機(jī)前端全工況下正時(shí)鏈盒曲軸中心附近的聲壓級最高，可知發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲來自曲軸皮帶輪或鏈傳動(dòng)系統(tǒng)下部振動(dòng)機(jī)械噪聲或鏈盒輻射噪聲，噪聲振動(dòng)頻率在1 782.5 Hz，與2.2節(jié)正時(shí)鏈盒表面振動(dòng)測量結(jié)果一致。

圖7所示為聲學(xué)照相機(jī)定位噪聲源分析700 r/min怠速工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲與倍頻程關(guān)系。由圖7可見，振動(dòng)頻率在1 800 Hz附近噪聲聲壓級達(dá)到峰值，超出NVH目標(biāo)限值。因此需要采取有效措施以降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端正時(shí)鏈盒振動(dòng)和輻射噪聲。

圖7 700 r/min怠速工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲與頻率關(guān)系

為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)前端NVH表現(xiàn)，經(jīng)過多輪設(shè)計(jì)優(yōu)化，結(jié)合CAE模態(tài)分析比較結(jié)果，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，然后結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法以期解決發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲。根據(jù)正時(shí)鏈盒樣件振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源定位結(jié)果，擬定以下幾種優(yōu)化方案：(1)曲軸帶輪包覆橡膠或泡沫隔音罩；(2)正時(shí)鏈盒外表面添加降噪板；(3)優(yōu)化加強(qiáng)筋提高正時(shí)鏈盒整體剛度；(4)正時(shí)鏈盒下部增加1個(gè)與缸體間的固定點(diǎn)。

3 正時(shí)鏈盒模擬分析

模擬分析與參數(shù)識(shí)別作為動(dòng)力學(xué)中1種逆向問題分析方法在實(shí)踐中應(yīng)用越來越廣泛，通過對零部件振動(dòng)、噪聲等特性進(jìn)行分析，可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期、降低開發(fā)成本和提高效率，同時(shí)，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)效果。利用模擬分析，得出正時(shí)鏈盒的固有頻率和模態(tài)，并與噪聲監(jiān)測結(jié)果對照，找到正時(shí)鏈盒薄弱位置，從而提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向并進(jìn)行分析驗(yàn)證，為進(jìn)一步降低噪聲奠定了理論基礎(chǔ)。

3.1 正時(shí)鏈盒有限元建模

采用CATIA建立正時(shí)鏈盒實(shí)體模型，設(shè)置AlSi9Cu3材料屬性，考慮到網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，用CATIA自身有限元分析模塊將正時(shí)鏈盒劃分為10節(jié)點(diǎn)單元的四面體網(wǎng)格，并根據(jù)正時(shí)鏈盒實(shí)際工作情況設(shè)定約束各螺栓孔位移(忽略緊固螺栓彈性變形和與正時(shí)鏈盒之間的相對滑動(dòng))，加載VVT電磁閥質(zhì)量負(fù)荷。然后，求解正時(shí)鏈盒模型，以提取模態(tài)階數(shù)和模態(tài)分析的頻率范圍、振型、相對應(yīng)力和應(yīng)力分布等。

3.2 模態(tài)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析是1個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在分析某個(gè)零部件時(shí)可將之簡化為單自由度系統(tǒng)模型。線性范圍內(nèi)，物理坐標(biāo)系中的自由振動(dòng)響應(yīng)為主振動(dòng)的線性疊加，每個(gè)主振動(dòng)都是1種特定形態(tài)的自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率即系統(tǒng)的固有頻率，振動(dòng)形態(tài)即系統(tǒng)的主振型，因此可以得到有限元模型的振動(dòng)微分方程為：

(4)

從模態(tài)分析結(jié)果可知，主要的振型發(fā)生正時(shí)鏈盒中下部曲軸中心周圍較平坦的位置，此處的鼓動(dòng)振型容易形成輻射噪聲，與噪聲源定位測量結(jié)果一致，說明正時(shí)鏈盒曲軸中心附近剛度最差。為提高整體和局部結(jié)構(gòu)的固有頻率和剛度，分別通過在正時(shí)鏈盒振型最大點(diǎn)附近增加與缸體間的固定點(diǎn)、加厚材料和優(yōu)化加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化方案，然后對優(yōu)化后的模型進(jìn)行有限元分析求解。

3.3 優(yōu)化前后CAE模擬分析

分析計(jì)算結(jié)果如下，圖8所示為基礎(chǔ)正時(shí)鏈盒模態(tài)主振型，曲軸中心附近模態(tài)1 889.15Hz，與試驗(yàn)測得模態(tài)1 780Hz相近，誤差率6%，在可接受范圍內(nèi)，說明設(shè)計(jì)零件的模擬分析具有一定實(shí)用參考價(jià)值。

圖8 正時(shí)鏈盒模態(tài)主振型圖

圖9給出正時(shí)鏈盒2種不同優(yōu)化方案。圖9(a)正時(shí)鏈盒優(yōu)化方案將原正時(shí)鏈盒厚度增加0.5mm，同時(shí)優(yōu)化筋布置結(jié)構(gòu)，鏈盒曲軸中心附近頻率提高了3%，但階數(shù)沒有發(fā)生變化。根本原因是材料厚度增加后剛度和質(zhì)量也有所增加，在外界負(fù)荷和邊界條件不變的情況下，正時(shí)鏈盒在曲軸中心附近增加1個(gè)與缸體間連接點(diǎn)，如圖9(b)所示。該優(yōu)化方案使鏈盒曲軸中心模態(tài)從原來4階的1 889.15Hz提高到6階的3 156.96Hz，模態(tài)提高了67.1%，3 000Hz內(nèi)模態(tài)階數(shù)減少了2階，如表3所示。優(yōu)化方案b使正時(shí)鏈盒模態(tài)頻率和階數(shù)都發(fā)生了偏移，說明在最大振型附近增加固定點(diǎn)將大平面劃分為小振動(dòng)平面的優(yōu)化方法可大大提高零件整體固有頻率范圍，鏈盒的剛性和模態(tài)均得到了提高，從而很好的降低了輻射噪聲，改善發(fā)動(dòng)機(jī)前端NVH性能。

圖9 不同優(yōu)化方案正時(shí)鏈盒

方案主振型頻率/Hz主振型階數(shù)優(yōu)化率/%原正時(shí)鏈盒方案1889.154—優(yōu)化方案a1946.843優(yōu)化方案b3156.96467.1

4 發(fā)動(dòng)機(jī)前端降噪試驗(yàn)驗(yàn)證

為降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲輻射，試驗(yàn)中首先采用在皮帶輪后的正時(shí)鏈盒外表面貼覆復(fù)合靜音鋼板的方法。靜音鋼板是由多層鍍鋅鋼板和彈性阻尼層粘結(jié)而成，結(jié)構(gòu)如圖10所示。當(dāng)鏈盒結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞到鋼板間阻尼材料時(shí)，引起阻尼材料內(nèi)部相應(yīng)錯(cuò)動(dòng)和摩擦，摩擦將部分振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而達(dá)到減振降噪的目的，減振降噪性能優(yōu)于單層鋼板。靜音鋼板可通過螺栓、螺釘或鉚接的方式緊固在正時(shí)鏈盒上，試驗(yàn)中臨時(shí)驗(yàn)證方案采用貼覆的方式。

圖10 靜音鋼板剖面圖

根據(jù)有限元分析結(jié)果和改進(jìn)建議，正時(shí)鏈盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在曲軸皮帶輪附近增加1個(gè)與缸體間的連接點(diǎn)，缸體上相應(yīng)增加螺栓安裝點(diǎn)，如圖11所示，并將改進(jìn)后的正時(shí)鏈盒樣件安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上在半消音室內(nèi)進(jìn)行噪聲振動(dòng)測試驗(yàn)證。

圖11 缸體上增加與正時(shí)鏈盒螺栓連接特征

圖12清晰列出700r/min怠速工況點(diǎn)，在基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈盒外表面貼覆靜音鋼板和增加1個(gè)與缸體間連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案與基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)測量對比結(jié)果。從對比數(shù)據(jù)中可以看出，正時(shí)鏈盒貼覆復(fù)合式靜音鋼板可使發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲聲壓水平明顯改善，較基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)降低了3.2dB(A)。而在正時(shí)鏈盒和缸體間增加連接點(diǎn)后怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)前端聲壓水平進(jìn)一步降低至61.5dB(A)，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能指標(biāo)。這說明精準(zhǔn)的CAE模擬分析對發(fā)動(dòng)機(jī)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的輔助作用，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用能更好的結(jié)合起來。

圖12 700 r/min怠速工況點(diǎn)前端噪聲瀑布圖

綜合以上試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，本機(jī)量產(chǎn)件最終采用正時(shí)鏈盒鉚接靜音鋼板和增加1個(gè)正時(shí)鏈盒與缸體間緊固點(diǎn)相結(jié)合的方案，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)前端NVH性能指標(biāo)。此改進(jìn)方案對發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、凸輪軸罩蓋等薄壁覆蓋件實(shí)現(xiàn)降噪具有重要指導(dǎo)意義。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，將正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)置于發(fā)動(dòng)機(jī)后端，提高齒輪柔性以降低嚙合對制造誤差的敏感度，采用非金屬的復(fù)合材料和隨機(jī)不對稱的齒形等方法均可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平提高、新材料推廣應(yīng)用和機(jī)械加工工藝不斷改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲水平將會(huì)大大改善。

5 結(jié)論

為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能指標(biāo)，通過正時(shí)鏈盒外表面鉚接靜音材料和增加1個(gè)與缸體間連接點(diǎn)的方式，將模擬理論分析計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，最終達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲的目的，得到結(jié)論如下：

(1)對發(fā)動(dòng)機(jī)NVH研究最好的辦法就是設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論找到噪聲源后提出解決方案。

(2)對設(shè)計(jì)優(yōu)化的正時(shí)鏈盒進(jìn)行模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，合理增加固定點(diǎn)比優(yōu)化內(nèi)部筋的布置結(jié)構(gòu)對提高零部件剛度更有效。正時(shí)鏈盒曲軸中心附近增加1個(gè)與缸體間固定點(diǎn)后輻射噪聲較大的區(qū)域內(nèi)頻率提高了67.1%，3 000Hz內(nèi)頻率減少2個(gè)階次，從而可以很好降低正時(shí)鏈盒振動(dòng)響應(yīng)和輻射噪聲。

(3)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，在正時(shí)鏈盒中下部貼覆復(fù)合式靜音鋼板可使發(fā)動(dòng)機(jī)前端輻射噪聲降低3.2dB(A)，增加1個(gè)與缸體間緊固點(diǎn)后噪聲又降低1.2dB(A)后達(dá)到61.5dB(A)，滿足整機(jī)NVH性能指標(biāo)。

(4)正時(shí)鏈盒振動(dòng)響應(yīng)和輻射噪聲發(fā)生在剛度和模態(tài)較差的大平板部位，因此在設(shè)計(jì)中要盡量避免大平面處鼓動(dòng)振型出現(xiàn)，合理增加固定點(diǎn)的優(yōu)化方案可大大提高零件整體結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)。該優(yōu)化方法對發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、凸輪軸罩蓋等類似薄壁件設(shè)計(jì)具有很好參考和指導(dǎo)價(jià)值。

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