高維進(jìn) 陳婷 溫拾平 涂濤 劉勇

摘要：針對(duì)某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼系統(tǒng)振動(dòng)噪聲問(wèn)題，結(jié)合NVH測(cè)試及計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)確定噪聲來(lái)源及產(chǎn)生原因。提出多種改善方案，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及制作快速樣件，識(shí)別出最優(yōu)方案。批產(chǎn)驗(yàn)證表明，該車型“嗡嗡”異響消失，顧客的用車體驗(yàn)得到有效提升。

Abstract： In view of the vibration and noise problems of the oil sum system of a diesel engine， the noise sources and causes are determined by NVH test and computer simulation analysis technology. A variety of improvement schemes are proposed， and the optimal scheme is identified by using computer simulation technology and making fast samples. The batch production verification shows that the "buzz" noise disappears and the customer's driving experience is effectively improved.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);油底殼系統(tǒng);振動(dòng)噪聲;NVH

Key words： diesel engine;oil sump system;vibration noise;NVH

0? 引言

隨著生活水平的不斷提高，汽車作為一種交通工具日益普及，人們對(duì)汽車的舒適性也提出了更高要求，降低汽車噪音已然成為一項(xiàng)亟待解決的課題[1-2]。在某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程中，路試整車暖機(jī)后，車外出現(xiàn)“嗡嗡”異響，主觀評(píng)判不可接受。本文利用NVH測(cè)試及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，確定噪聲來(lái)源于油底殼。基于計(jì)算機(jī)模擬分析及樣件試制，最終確定了在油底殼內(nèi)部焊接肋板的方案，成功解決該噪音問(wèn)題。

1? 故障現(xiàn)象確認(rèn)

1.1 噪聲水平確認(rèn)

為準(zhǔn)確、定量的評(píng)估噪聲情況，分別測(cè)試了故障車的車外噪聲和駕駛室內(nèi)噪聲。NVH測(cè)試結(jié)果顯示，車外最大噪聲為85.4dB，高于國(guó)標(biāo)中74dB的車外噪音限值[3-4]，駕駛室內(nèi)噪聲43dB，滿足一般使用需求。

1.2 噪聲源識(shí)別

在故障車發(fā)動(dòng)機(jī)底側(cè)曲軸箱及油底殼上布置傳感器，檢測(cè)出油底殼存在約151Hz的共振帶，是油底殼受151Hz共振激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼是典型的薄壁零件，極易產(chǎn)生誘導(dǎo)振動(dòng)，其輻射噪聲占整機(jī)總輻射噪聲的20%左右[5]?；谟邢拊治龇ǎ瑢?duì)故障車中含機(jī)油油底殼動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，為優(yōu)化油底殼系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲分析提供解決方案。

2.1 基于有限元法模態(tài)分析

不考慮流體存在，即不考慮流固耦合問(wèn)題，油底殼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程為：

在結(jié)構(gòu)與流體耦合問(wèn)題分析中，需要把結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程和流體動(dòng)力學(xué)方程與流體連續(xù)性方程一起考慮。在機(jī)油與油底殼作用的耦合區(qū)，機(jī)油振動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用在油底殼內(nèi)表面，對(duì)油底殼的振動(dòng)產(chǎn)生影響，同樣油底殼內(nèi)表面的振動(dòng)會(huì)引起機(jī)油的擾動(dòng)，從而為機(jī)油提供速度和加速度，流固耦合方程為：

2.2 方案優(yōu)化理論

固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

2.2.1 假設(shè)及限制條件

①結(jié)構(gòu)及流體自由度有效;

②結(jié)構(gòu)剛度及質(zhì)量影響是線性的;

③阻尼特征求解器沒(méi)開時(shí)沒(méi)有阻尼;

④結(jié)構(gòu)沒(méi)有隨時(shí)間變化的力、位移壓力或溫度等邊界條件。

2.2.2 分析描述

假定系統(tǒng)為有振動(dòng)且忽略阻尼，則式（1）可以簡(jiǎn)化為

■ （3）

假設(shè)結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即有：

求解式（5）、式（6）聯(lián)立的方程組，便可得到n個(gè)固有頻率ωi（i=1，2，…，n），代入式（4），即可得到特征向量Φi。由此，求解一個(gè)多自由度系統(tǒng)的固有頻率和振型的問(wèn)題就歸結(jié)于求方程組的特征值和特征向量的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中要提高油底殼系統(tǒng)的固有頻率即需要提高系統(tǒng)的剛度矩陣/質(zhì)量矩陣的比值。

3? 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

由式（6）可知，要提高系統(tǒng)的固有頻率就要提高系統(tǒng)的剛度和減少系統(tǒng)的質(zhì)量，而減少系統(tǒng)質(zhì)量則會(huì)引起節(jié)點(diǎn)速度增加。因此，本文主要考慮通過(guò)提高結(jié)構(gòu)剛度來(lái)提高油底殼系統(tǒng)的固有頻率，提出三種優(yōu)化方案：

方案一：油底殼厚度增加;

方案二：油底殼內(nèi)部焊接肋板;

方案三：曲軸箱增加鋼板支架。

3.1 優(yōu)化方案CAE分析

對(duì)三種優(yōu)化方案分別進(jìn)行CAE分析，結(jié)果如圖1、圖2所示。

3.2 優(yōu)化方案模擬分析及選型

采用流固耦合法，考慮滿機(jī)油狀態(tài)，油底殼模型采用殼單元，密度為7.85g/cm3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.28;機(jī)油的模型采用流體單元，密度為0.87g/cm3，聲速為1300m/s。計(jì)算三種方案中油底殼系統(tǒng)的一階模態(tài)：

方案一，油底殼系統(tǒng)一階模態(tài)167Hz，振型發(fā)生改變，如圖3所示。

方案二，油底殼系統(tǒng)一階模態(tài)166Hz，振型發(fā)生改變，如圖4所示。

方案三，油底殼系統(tǒng)一階模態(tài)187Hz，振型發(fā)生改變，如圖5所示。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，綜合考慮零件的可靠性、成本、工藝性和裝配性，選擇方案二制作樣件進(jìn)行NVH測(cè)試，評(píng)估優(yōu)化效果。

4? 優(yōu)化效果驗(yàn)證

4.1 快速樣件效果驗(yàn)證

將基于方案二制作的快速樣件搭載故障車進(jìn)行NVH測(cè)試，測(cè)試效果良好，一階模態(tài)提高到218Hz，噪音水平明顯改善，如圖6所示。

4.2 批產(chǎn)驗(yàn)證

隨機(jī)抽取工裝樣件進(jìn)行測(cè)試，一階模態(tài)提高至221.44Hz，較快速樣件提高3.44Hz，兩次測(cè)量結(jié)果相差1.55%，遠(yuǎn)大于激勵(lì)源振動(dòng)頻率151Hz，噪音水平明顯改善;將工裝件搭載20臺(tái)整車，車內(nèi)外均無(wú)異響，改善明顯，主觀駕評(píng)可接受。

5? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行NVH測(cè)試、計(jì)算機(jī)仿真分析，確定噪聲來(lái)源及產(chǎn)生原因，并提出三種改善方案?；谀B(tài)分析結(jié)果，綜合零件可靠性、成本、工藝性和裝配性，選擇在油底殼內(nèi)部焊接肋板作為最優(yōu)方案。經(jīng)批產(chǎn)驗(yàn)證，該車型“嗡嗡”異響消失，有效改善了顧客用車體驗(yàn)，提升產(chǎn)品滿意度。

參考文獻(xiàn)：

[1]于文尚，張培賢，等.發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)置進(jìn)氣口脈動(dòng)噪聲分析與改進(jìn)[J].客車技術(shù)與研究，2017（6）：19-21.

[2]米鵬宇.對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲污染及其控制探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（22）：148-149.

[3]GB 1495-2002，汽車加速行駛車外噪音限值及測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[4]謝東明，孫枝鵬，張志波.GB 1495汽車加速噪聲標(biāo)準(zhǔn)限值加嚴(yán)情況研究[J].汽車科技，2019（5）：7-11.

[5]張海娟.發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼振動(dòng)與噪聲輻射研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.