顧偉，王艷艷

（1.昆明云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，云南 昆明 650217；2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

1 引言

農(nóng)用拖拉機(jī)一直是我國(guó)農(nóng)村在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中占主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)機(jī)械之一。隨著拖拉機(jī)的廣泛使用，農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程加快，但對(duì)駕駛員來(lái)說(shuō)提供一個(gè)安全、舒適的工作環(huán)境非常重要[1]。拖拉機(jī)噪聲已成為衡量拖拉機(jī)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。拖拉機(jī)駕駛員操作位置處噪聲(以下簡(jiǎn)稱(chēng)耳旁噪聲) 是指拖拉機(jī)在規(guī)定牽引工況下，在駕駛員耳旁規(guī)定位置處測(cè)得的最大噪聲。研究表面，駕駛員在90分貝（dB）的環(huán)境中能正常工作8小時(shí)，而在95分貝的噪聲環(huán)境中只能連續(xù)工作4小時(shí)，超出后就是非正常工作，事故發(fā)生的機(jī)率將成倍上升[2]。

對(duì)于駕駛員耳旁噪聲，國(guó)標(biāo)GB 6376-2008給出了拖拉機(jī)加載工況下的限值。我國(guó)拖拉機(jī)的駕駛室基本為簡(jiǎn)易駕駛室，安裝簡(jiǎn)易駕駛室和無(wú)駕駛室的拖拉機(jī)限值為 95dB（A），而相應(yīng)歐共體77/311/EEC的限值為90dB（A），我國(guó)的限值比歐共體高出5 dB (A)。可見(jiàn)，我國(guó)的拖拉機(jī)駕駛員耳旁噪聲控制方面和國(guó)外仍有一定的差距，并且有些生產(chǎn)企業(yè)雖然通過(guò)了“3C”認(rèn)證或“E-mark”認(rèn)證，但其產(chǎn)品在批量生產(chǎn)中卻很難保持產(chǎn)品的一致性，拖拉機(jī)降噪工作的形勢(shì)仍很?chē)?yán)峻[3]。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

拖拉機(jī)裝在半消聲室測(cè)試臺(tái)架上，通過(guò)動(dòng)力輸出端（PTO）與測(cè)功機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)的加載。試驗(yàn)用拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)四缸增壓柴油機(jī)，功率為 48kW。測(cè)試系統(tǒng)為 B&K公司數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳聲器的中心距離座椅中心平面250 mm，座位參考點(diǎn)上方790 mm，前方150 mm處。影響拖拉機(jī)駕駛員操作位置處噪聲的噪聲源主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、傳動(dòng)系噪聲、覆蓋件等振動(dòng)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)噪音又包括排氣噪音、進(jìn)氣噪音、風(fēng)扇噪音、機(jī)罩噪音等[4]。在額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷和無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行耳旁噪音測(cè)量，全負(fù)荷下駕駛員耳旁噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪音頻率，帶寬為 500-2000 Hz。

3 主要噪聲源識(shí)別

整車(chē)噪聲源的識(shí)別是拖拉機(jī)噪聲控制工作的第一步，其主要目的是尋找主要噪聲源，以確定噪聲控制的主要目標(biāo)。拖拉機(jī)噪聲源的識(shí)別主要采用覆蓋法和消元法[5]。覆蓋法是把某個(gè)噪聲源全部用鉛板或其他耐熱隔聲材料覆蓋起來(lái)，測(cè)量覆蓋前后的噪聲級(jí)，即可求得被覆蓋噪聲源的大小。消元法是將噪聲源拆除（或使其停止工作），測(cè)量拆除(或使其停止工作)前后的噪聲級(jí)，即可求得被拆除（或使其停止工作)的噪聲源大小。由于有的部件難以覆蓋，有的部件難以拆除，實(shí)際作法通常是把覆蓋法和消元法結(jié)合起來(lái)使用。

3.1 空氣噪聲源定量分析

空氣噪聲源是風(fēng)扇、進(jìn)氣管和排氣消聲器，通過(guò)消去法進(jìn)行定量分析。測(cè)量有和沒(méi)有該元件前后的聲壓級(jí)（Sound Pressure Level，SPL）差△SPL，如表1所示?？梢钥闯?，排氣消聲器產(chǎn)生的△SPL最大，為6.5 dB，是主要的噪聲源。

表1 空氣噪聲源比較

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源分析

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲有燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和負(fù)荷噪聲。燃燒噪聲來(lái)自于活塞的氣壓力造成的振動(dòng)。曲軸承受外部施加的力和由于慣性產(chǎn)生的內(nèi)部力，這些力的合力造成了機(jī)械噪聲。負(fù)荷噪音是隨負(fù)荷變化產(chǎn)生的噪音。結(jié)構(gòu)噪音源主要有曲軸、正時(shí)齒輪蓋（Timing Gear Cover，TGC）、油底殼以及附件，如油泵、發(fā)電機(jī)等。所有這些噪音的聲譜取決于它們的模態(tài)特性、表面積和振動(dòng)速度。如果知道每個(gè)噪聲發(fā)射源對(duì)總噪音的貢獻(xiàn)率，那么噪音控制策略就會(huì)更加有效。最基本的也是將總發(fā)動(dòng)機(jī)噪音分為機(jī)械噪音和燃燒噪音。

3.3 燃燒機(jī)械噪音分解分析

Izuho Hirano等人使用多元回歸分析分離噪音源[6]。將發(fā)動(dòng)機(jī)噪音水平作為基準(zhǔn)變量，氣缸壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷作為應(yīng)變量。發(fā)動(dòng)機(jī)噪音可以用以下公式表示：

其中：SP為發(fā)動(dòng)機(jī)總噪音，SPm為機(jī)械噪音，CP為氣缸壓力，H為氣缸壓力和燃燒噪音之間的傳遞系數(shù)，L為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的平方，G為扭矩和負(fù)荷噪音直接的傳遞系數(shù)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)總噪音分解圖

通過(guò)多元回歸分析定量上述傳遞函數(shù)，將燃燒噪音從總噪音中分離。從圖1可以看出在總噪音中燃燒噪音起主導(dǎo)作用。從噪聲源識(shí)別結(jié)果可知，該拖拉機(jī)主要的噪聲源是消聲器、發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、正時(shí)齒輪蓋和燃燒噪音。

4 駕駛員耳旁噪音控制措施

由于發(fā)現(xiàn)主要的噪聲源是消聲器、發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、正時(shí)齒輪蓋TGC和燃燒噪音，因此主要的降噪措施為進(jìn)行消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)，油底殼、TGC結(jié)構(gòu)優(yōu)化和燃燒噪音優(yōu)化。

4.1 消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)

消聲器的傳遞損失只與其本體結(jié)構(gòu)有關(guān)，不受聲源特性和尾管輻射特性的影響，是消聲器聲學(xué)性能研究中最常使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段對(duì)排氣管噪音使用傳遞損失法，使設(shè)計(jì)過(guò)程更接近于實(shí)際。優(yōu)化過(guò)程中使用結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真技術(shù)的混合理論來(lái)模擬排氣管噪音，即利用邊界元理論（Boundary Element Method，BEM）進(jìn)行消聲器建模，結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲取聲學(xué)特征，如內(nèi)部阻擋和速度，作為模型的輸入[7]。噪音的阻抗可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，傳遞速度可以通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行 BEM 分析來(lái)預(yù)測(cè)。試驗(yàn)獲取的駕駛員耳旁噪音數(shù)據(jù)作為輸入的邊界條件。這種方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，難以通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的聲學(xué)特征值可以通過(guò)測(cè)量估算；第二，BEM允許使用復(fù)雜的消聲器幾何模型。圖2給出了原消聲器結(jié)構(gòu)示意圖，具有4個(gè)膨脹腔。通過(guò)上述的BEM方法來(lái)模擬排氣管噪音，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)二者在低頻階段能很好的吻合，這主要是一階諧波。使用傳遞損失法進(jìn)行消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括膨脹腔長(zhǎng)度，膨脹腔個(gè)數(shù)和穿孔管參數(shù)等。優(yōu)化后的消聲器有3個(gè)膨脹腔，如圖3所示。低頻和中頻噪音通過(guò)延長(zhǎng)第一和第三個(gè)膨脹腔中的穿孔管進(jìn)行控制。合理選擇延長(zhǎng)管的長(zhǎng)度和穿孔管的孔數(shù)以抵消寬帶流動(dòng)噪音。針對(duì)各種尾氣管長(zhǎng)度進(jìn)行 BEM 分析，由此確定最小排氣噪音的長(zhǎng)度，同時(shí)，排氣背壓可使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。如圖 4，消聲器優(yōu)化后模擬的駕駛員耳旁噪音降低了6.5 dB。

圖2 原消聲器結(jié)構(gòu)

圖3 優(yōu)化后的消聲器結(jié)構(gòu)

圖4 優(yōu)化后消聲器與原消聲器聲壓級(jí)比較

4.2 零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

油底殼和正時(shí)齒輪蓋TGC為主要的結(jié)構(gòu)噪聲源，這兩個(gè)部件都與驅(qū)動(dòng)部件接觸，受震動(dòng)力激勵(lì)，其振動(dòng)行為受自身模態(tài)頻率和激振力的影響。在 NVH優(yōu)化過(guò)程中，可以利用有限元 FEM 技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)從而改變自激頻率，避免在重要頻率范圍內(nèi)的共振。首先通過(guò)模態(tài)分析建立有限元模型，利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)建立的零部件模型進(jìn)行校核。在測(cè)試點(diǎn)獲取頻響函數(shù)，通過(guò)模態(tài)參數(shù)預(yù)估技術(shù)獲取自由頻率、模態(tài)和阻尼比，利用模態(tài)置信度MAC來(lái)檢查測(cè)試結(jié)果的正確性。然后進(jìn)行零部件的有限元模型分析，評(píng)價(jià)頻響函數(shù)。通過(guò)校正模型形狀、質(zhì)量和材料參數(shù)可以獲取模態(tài)頻率和模態(tài)之間的關(guān)系。其次通過(guò)模態(tài)分析和應(yīng)變能分析找出需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)的位置，通過(guò)多次優(yōu)化，最終得到制造可行性下的最低噪音水平。圖5給出了油底殼的應(yīng)變能分布，那些高應(yīng)變能區(qū)域即為需要優(yōu)化的地方，采用增加支撐板的方法來(lái)降低其振動(dòng)噪音。圖6給出了增加加強(qiáng)筋后的結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在油底殼質(zhì)量少量增加的情況下噪音降低了3dB，如圖7所示。對(duì)TGC也采用相同的方法，通過(guò)增加加強(qiáng)筋優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度。

圖5 油底殼的應(yīng)變能

圖6 增加支撐板后的油底殼結(jié)構(gòu)

圖7 油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的聲能級(jí)對(duì)比

4.3 燃燒噪音控制

對(duì)駕駛員耳旁噪音貢獻(xiàn)較大的是燃燒噪音。推遲供油提前角可以降低燃燒壓力升高率，從而降低燃燒噪音，但是推遲供油提前角同時(shí)也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和排放性能[8]。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，最終決定推遲供油提前角 1.5度。這樣可以降低駕駛員耳旁噪音聲壓級(jí) SPL2dB，而發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和排放性基本不變。

5 結(jié)論

對(duì)一輛農(nóng)用拖拉機(jī)進(jìn)行駕駛員耳旁噪音試驗(yàn)，通過(guò)消去法識(shí)別出主要噪聲源，即消聲器、發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼、正時(shí)齒輪蓋和燃燒噪音。利用邊界元理論對(duì)消聲器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，利用有限元法優(yōu)化油底殼和正時(shí)齒輪蓋結(jié)構(gòu)，利用推遲供油提前角降低燃燒噪音，最終將拖拉機(jī)的駕駛員耳旁噪音水平降低了6 dB。

（1）對(duì)行駛的拖拉機(jī)很難進(jìn)行全負(fù)荷工況下的噪聲源識(shí)別，在半消聲室中可以很好的進(jìn)行。

（2）消去法是識(shí)別拖拉機(jī)駕駛員耳旁噪音源的一種有效方法。

（3）混合理論可以較好的進(jìn)行消聲器重新設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)和降低排氣管噪音。

（4）試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)合有限元理論，可以有效的進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低噪音。

（5）燃燒噪音可以通過(guò)推遲供油提前角來(lái)降低。