王貴富 楊惠東 梁偉強(qiáng) 左支柳

五羊-本田摩托（廣州）有限公司 廣東省廣州市 511356

機(jī)動(dòng)車(chē)噪聲是噪聲污染的主要來(lái)源，摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)外露于大氣中，其產(chǎn)生的聲音直接影響環(huán)境噪聲，因此降低摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)環(huán)境的影響是重要課題。摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲包括燃燒噪聲、進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、機(jī)械噪聲及表面輻射噪聲等。本文對(duì)一款發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源進(jìn)行分析研究，通過(guò)減小發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的落座沖擊力，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲和表面輻射共振噪聲。

1 現(xiàn)象和噪聲源定位

某款OHV發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型，整車(chē)在行駛過(guò)程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在6200～6400rpm的工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)區(qū)域會(huì)有很大的噪聲，對(duì)騎行人員體驗(yàn)感很不好。為了找出產(chǎn)生噪聲的部位，采用噪聲源定位測(cè)量方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)的右側(cè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)工況：整車(chē)駐車(chē)狀態(tài)，空檔時(shí)加油門(mén)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6350rpm時(shí)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的噪聲源定位云圖如圖1，從圖中可以看出，噪聲最大的部位發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋和氣缸體區(qū)域。

圖1 噪聲源定位云圖

2 噪聲產(chǎn)生的原因解析

2.1 噪聲的頻譜試驗(yàn)及分析

為了分析噪聲產(chǎn)生的原因，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲最大區(qū)域，進(jìn)一步測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速的聲音頻譜云圖，測(cè)量工況是整車(chē)駐車(chē)狀態(tài)，空檔時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 rpm～8000rpm逐漸加速的過(guò)程,麥克風(fēng)位置放在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋右側(cè)距離200mm處。采集了麥克風(fēng)的聲壓信號(hào)并進(jìn)行FFT頻譜分析。測(cè)量結(jié)果如圖2。

圖2 聲音頻譜云圖

從聲音頻譜云圖分析，在6000rpm以上，1階的聲音頻譜比較亮，表明1階的聲音較大，并且隨轉(zhuǎn)速增加頻率升高，說(shuō)明1階的聲音與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)；另外，在高頻5170Hz、6000Hz頻率附近聲音頻譜明顯比較亮，并且隨轉(zhuǎn)速變化，頻率不變，說(shuō)明噪聲中有5170Hz、6000Hz共振噪聲。

從聲音頻譜云圖中，選擇轉(zhuǎn)速6360rpm時(shí)的頻譜曲線(xiàn)分析，如圖3，圖中106Hz的基頻噪聲較大。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率f0=Ne/60=6360/60=106Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率106Hz與基頻106Hz相同，表明該噪聲是由與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同頻率的激勵(lì)力產(chǎn)生的1階噪聲，可以推測(cè)：在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件中，產(chǎn)生106Hz激勵(lì)力部品，可能是氣門(mén)落座沖擊力，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)每二圈各產(chǎn)生一次落座沖擊力，但進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)是分別在不同時(shí)刻產(chǎn)生落座沖擊，所以氣門(mén)落座沖擊(包括進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén))的頻率與轉(zhuǎn)速頻率f0相同，即氣門(mén)落座力的頻率正好與基頻噪聲頻率106Hz相同。

圖3 6360rpm的頻譜曲線(xiàn)

除基頻外，聲音頻譜中高頻噪聲5170Hz和6000Hz的比較高，這兩個(gè)頻率與基頻106Hz的倍數(shù)分別是48.7和60倍，說(shuō)明這兩個(gè)頻率的高頻噪聲與氣門(mén)落座力沖擊相關(guān)。因?yàn)樵肼暸c振動(dòng)密切相關(guān)的，推測(cè)5170Hz和6000Hz高頻噪聲是由于氣缸蓋散熱片的振動(dòng)引起的，為了證驗(yàn)高頻噪聲與振動(dòng)的關(guān)系，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的不同部位安裝振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)量工況整車(chē)駐車(chē)空檔狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)緩慢加速?gòu)?000 rpm～8000rpm之間進(jìn)行測(cè)量。選擇其中的某測(cè)量點(diǎn)，該點(diǎn)的振動(dòng)頻譜與噪聲頻譜最相近(因?yàn)楦咨w散熱片形狀各異，每一點(diǎn)的振動(dòng)頻譜不盡相同)，該點(diǎn)測(cè)量結(jié)果如圖4所示，表示發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中該點(diǎn)的振動(dòng)加速度總值。

圖4 氣缸蓋散熱葉片的振動(dòng)加速度

從圖4可以看出，散熱片的振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，特別是在5000rpm以上轉(zhuǎn)速，振動(dòng)加速度的增加速率增大，并且在6100rpm附近時(shí)有振動(dòng)峰值，此振動(dòng)的峰值與6300rpm附近噪聲值較大相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲大與散熱片振動(dòng)有直接關(guān)系。為進(jìn)一步分析散熱片的振動(dòng)，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6360rpm時(shí)的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖5：發(fā)動(dòng)機(jī)散熱片6360rpm的振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)。

圖5 氣缸蓋散熱葉片的振動(dòng)頻譜曲線(xiàn)

由圖5中可以看出，氣缸蓋散熱片振動(dòng)的頻譜中，在頻率5170Hz、6000Hz附近的振動(dòng)出現(xiàn)比較大的峰值，峰值中心的振動(dòng)頻率與噪聲的高頻段的頻率相一致,驗(yàn)證了上文的推測(cè)：噪聲頻譜中的高頻噪聲成分是散熱片的振動(dòng)引起的。因?yàn)樯崞嵌嗥瑺罱Y(jié)構(gòu)，每片的大小及長(zhǎng)度不同，所以局部模態(tài)的頻率較多，這樣在受到激勵(lì)力作用時(shí)，就會(huì)受迫振動(dòng)引起不同頻率的高頻噪聲。

分析至此，散熱片受到激勵(lì)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，是不可避免，并且受的激勵(lì)力越大，產(chǎn)生的噪聲越大，另外，當(dāng)激勵(lì)力頻率與散熱片的模態(tài)頻率一致時(shí)，產(chǎn)生共振噪聲。所以，為了減小噪聲，需要減小激勵(lì)，為此，需分析導(dǎo)致散熱片共振的激勵(lì)力的來(lái)源。

2.3 引起噪聲的激勵(lì)力分析

根據(jù)以上分析和推測(cè)，氣門(mén)的落座沖擊可能是產(chǎn)生噪聲的激勵(lì)源，為此，需要測(cè)量驗(yàn)證氣缸蓋振動(dòng)激勵(lì)力。測(cè)量的方式：把振動(dòng)傳感器安裝在氣缸蓋上，因?yàn)闅飧咨w部位是噪聲較大區(qū)域，通過(guò)測(cè)量氣缸蓋振動(dòng)加速度來(lái)尋找導(dǎo)致噪聲的激勵(lì)源。測(cè)量工況：把摩托車(chē)安裝在整車(chē)底盤(pán)設(shè)備上，發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火狀態(tài)，用測(cè)功機(jī)拖動(dòng)摩托車(chē)后輪使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在6360rpm的轉(zhuǎn)速。把振動(dòng)信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)序信號(hào)同時(shí)采集數(shù)據(jù)，氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)間通過(guò)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)序信號(hào)同步表示在圖示中，結(jié)果如圖6。排氣門(mén)落座時(shí)對(duì)應(yīng)加速度值B點(diǎn)，進(jìn)氣門(mén)落座時(shí)對(duì)應(yīng)加速度值A(chǔ)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，在排氣門(mén)落座及進(jìn)氣門(mén)落座時(shí)刻的振動(dòng)加速度明顯有振動(dòng)峰值，說(shuō)明氣門(mén)落座的落座沖擊力很大，其中進(jìn)氣門(mén)的落座沖擊力比排氣門(mén)的落座沖擊力大，因?yàn)檫M(jìn)氣門(mén)的質(zhì)量大于排氣門(mén)。從測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算出氣門(mén)落座沖擊力的頻率與聲音基頻106Hz相一致。由此可驗(yàn)證了上面的推測(cè)，氣門(mén)落座沖擊力是產(chǎn)生噪聲的激勵(lì)源。

圖6 缸蓋振動(dòng)與氣門(mén)開(kāi)關(guān)的關(guān)系

3 改善對(duì)策及效果

通過(guò)上文對(duì)噪聲產(chǎn)生的原因分析可知，噪聲是由發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)落座沖擊產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和氣缸蓋散熱片受到氣門(mén)落座沖擊力產(chǎn)生的共振噪聲。通過(guò)減小激勵(lì)力、增加阻尼、增厚散熱片以改變其共振頻率避免共振發(fā)生等，都是減小噪聲的方法，本文采用了減小氣門(mén)的落座沖擊，降低產(chǎn)生振動(dòng)噪聲激勵(lì)力，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的方法。

3.1 凸輪輪廓線(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)及計(jì)算

影響氣門(mén)落座沖擊力的主要因素是凸輪輪廓線(xiàn)的緩沖段曲線(xiàn)，為此，對(duì)凸輪輪廓線(xiàn)下降行程的緩沖段曲線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖7。目的是降低氣門(mén)落座時(shí)的速度，從而減少氣門(mén)落座瞬間沖擊力。

圖7 凸輪型線(xiàn)下降行程的緩沖段曲線(xiàn)

對(duì)改善前與改善后的凸輪軸，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的模擬仿真，計(jì)算了氣門(mén)落座時(shí)的速度和落座力，結(jié)果如圖8、圖9，從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，改善前氣門(mén)落座時(shí)，氣門(mén)的速度為0.35m/s,氣門(mén)第1次落座后被反彈后又進(jìn)行2次的落座，最大落座力為890N；改善后氣門(mén)落座時(shí)速度為0.17m/s沒(méi)有發(fā)生反彈情況，最大落座力降低為620N,所以,優(yōu)化后的凸輪輪廓線(xiàn)可以降低氣門(mén)落座力,從而減小振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。

圖8 改善前氣門(mén)速度及落座力

圖9 改善后氣門(mén)速度及落座力

3.2 改善后數(shù)據(jù)測(cè)量及驗(yàn)證

按新凸輪輪廓線(xiàn)試制了樣品，并進(jìn)行了整車(chē)振動(dòng)和噪聲的測(cè)量。

3.2.1 氣缸蓋振動(dòng)加速度對(duì)比

通過(guò)測(cè)量改善前與改善后氣缸蓋振動(dòng)加速度，間接地反映了氣門(mén)落座沖擊力大小變化。工況Ⅰ：同2.3中的測(cè)量工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在6360rpm時(shí)，測(cè)量氣缸蓋振動(dòng)加速度，測(cè)量結(jié)果如圖10?？梢钥闯觯纳坪蟮耐馆嗇喞€(xiàn)明顯可以降低氣門(mén)落座時(shí)氣缸蓋的振動(dòng)加速度；工況Ⅱ：發(fā)動(dòng)機(jī)緩慢加速?gòu)?000 rpm～8000rpm之間，測(cè)量各發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的氣缸蓋振動(dòng)總值，如圖11，同樣看出，在全部發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，氣缸蓋的振動(dòng)都降低了。

圖10 改善前、后氣缸蓋振動(dòng)過(guò)程值

圖11 改善前/后氣缸蓋加速度總值

3.2.2 噪聲頻譜及頻譜云圖的比較

改善前與改善后聲音頻譜(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速6360rpm時(shí))比 較，如 圖12?；?頻 噪聲106Hz由75dB降低到72dB；高頻噪聲5170Hz由77dB降 低到69dB；高頻噪 聲6000Hz由76dB降低到68dB。

圖12 改善前/后聲音頻譜

通過(guò)測(cè)量改善前與改善后聲音頻譜云圖進(jìn)行對(duì)比，如圖13、圖14?？梢钥闯?，改善前頻譜云圖的5170Hz和6000Hz明顯亮度高(噪聲大)，改善后的頻譜云圖在高頻噪聲明顯降低很多。

圖13 改善前聲音頻譜云圖

圖14 改善后聲音頻譜云圖

3.2.3 噪聲的主觀感覺(jué)

整車(chē)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比改善前后噪聲主觀感覺(jué)，噪聲水平明顯降低，主觀評(píng)價(jià)由6分提升到7.5分。說(shuō)明改善對(duì)策有效。

4 結(jié)論

（1）氣門(mén)落座沖擊(進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén))的頻率與轉(zhuǎn)速的頻率相同。

（2）氣門(mén)落座沖擊使氣缸蓋產(chǎn)生機(jī)械噪聲，機(jī)械噪聲的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率相同。

（3）氣缸蓋的散熱片在受到氣門(mén)落座沖擊力作用時(shí)，產(chǎn)生共振和高頻共振噪聲。

（4）通過(guò)優(yōu)化凸輪輪廓線(xiàn)緩沖段的曲線(xiàn)，減小氣門(mén)落座時(shí)速度和落座沖擊力，可以有效降低由落座沖擊引起的噪聲。