發(fā)動(dòng)機(jī)耦合共振噪聲研究

曹明柱 李凱 鄭超 王國(guó)剛 王卓

摘要：整機(jī)耦合共振是發(fā)動(dòng)機(jī)常見的噪聲問(wèn)題，本文以問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)頻譜分析，聲源定位試驗(yàn)，模態(tài)試驗(yàn)的方式鎖定了導(dǎo)致整機(jī)耦合共振噪聲突出的原因，通過(guò)對(duì)復(fù)合支架局部模態(tài)優(yōu)化，提高了模態(tài)頻率，使復(fù)合支架與整機(jī)模態(tài)進(jìn)行了規(guī)避，降低了耦合振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，最終降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合共振噪聲。

關(guān)鍵詞：聲源定位;耦合共振;模態(tài)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U464.134.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0014-02

0? 引言

隨著客戶對(duì)整車舒適要求的不斷提高，推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)NVH水平的不斷提升。我國(guó)在2019年發(fā)布了往復(fù)內(nèi)燃機(jī)噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)[1]，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小排量大功率汽油機(jī)噪聲限值更加嚴(yán)格，而三缸機(jī)由于本身的慣性力不平衡方面的缺陷[2]，給發(fā)動(dòng)機(jī)降噪帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

結(jié)構(gòu)共振噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的共振類問(wèn)題，而根據(jù)共振噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，發(fā)生部位的不同可采用不同的方式進(jìn)行優(yōu)化。如薄壁件的共振，噪聲是受到外部激勵(lì)引起了自身模態(tài)被激起而產(chǎn)生的噪聲，此類噪聲可采用局部磨合優(yōu)化或者改善自身的阻尼特性來(lái)解決[3]。而耦合振動(dòng)就比較復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)耦合振動(dòng)是指兩個(gè)或者多個(gè)模態(tài)頻率相同或相近的部件在外力的作用下相互作用產(chǎn)生了共振的現(xiàn)象，耦合共振噪聲的解決相對(duì)于單件的共振噪聲問(wèn)題要復(fù)雜的多，需要進(jìn)行模態(tài)規(guī)避設(shè)計(jì)。

本文以某三缸發(fā)動(dòng)機(jī)為案例通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方式確定了發(fā)動(dòng)機(jī)900-1200Hz共振噪聲是由于整機(jī)模態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合支架支架模態(tài)耦合導(dǎo)致的典型的耦合共振噪聲問(wèn)題，最終通過(guò)模態(tài)規(guī)避的方式將問(wèn)題解決。

1? 耦合共振噪聲頻譜特征

某發(fā)動(dòng)機(jī)在加速工況尤其在大負(fù)荷加速工況時(shí)900-1200Hz共振噪聲突出，如圖1頻譜分析所示，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)方向均有體現(xiàn)。此共振導(dǎo)致到動(dòng)機(jī)在各個(gè)方向的噪聲均較大。通過(guò)數(shù)字濾波發(fā)現(xiàn)，共振到噪聲對(duì)整機(jī)聲壓級(jí)影響有3dB（A）以上，需要對(duì)上述共振噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

2? 噪聲源識(shí)別

2.1 聲源定位試驗(yàn)

目前行業(yè)較為常用的噪聲源識(shí)別方法有近場(chǎng)測(cè)量法，或振動(dòng)測(cè)量方法等，除此之外噪聲源識(shí)別的方法還有很多[4]，本次是采用基于Beamforming聲源識(shí)別法。通過(guò)聲源定位分析可知，如圖2，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)900-1200Hz共振帶主聲源在主油底殼與缸體結(jié)合處靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)的位置。排氣側(cè)共振噪聲主聲源位置與進(jìn)氣側(cè)類似，主要在缸體、油底殼及正式蓋板結(jié)合面附近。前方的共振帶噪聲主聲源在要是減振皮帶輪附近。通過(guò)以上分析可以得出：900-1200Hz共振帶噪聲并非發(fā)動(dòng)機(jī)表面的共振噪聲，推測(cè)為機(jī)體內(nèi)部某零部件共振產(chǎn)生。

2.2 模態(tài)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步鎖定問(wèn)題源，如圖3，將進(jìn)行整機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部件模態(tài)測(cè)試，此次模態(tài)試驗(yàn)采用移動(dòng)傳感器，多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)輸出的方式進(jìn)行。

整機(jī)與復(fù)合支架均提取了前6階模態(tài)，如表1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的第2階模態(tài)為950Hz，陣型為發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)，第3階模態(tài)為1150Hz，陣型為彎扭耦合，而復(fù)合支架的前6階除第1階模態(tài)外其余模態(tài)全集中在950-1200Hz之間，發(fā)動(dòng)機(jī)的第2、第3階模態(tài)和復(fù)合支架的第2至6階模態(tài)極易產(chǎn)生耦合共振。綜上確定900-1200共振噪聲的根源為整機(jī)和復(fù)合支架產(chǎn)生了耦合共振，故解決上述噪聲問(wèn)題需要將整機(jī)模態(tài)和復(fù)合支架模態(tài)進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)。

3? CAE仿真分析及優(yōu)化

對(duì)復(fù)合支架上的機(jī)油泵組件、平衡軸組件建模，搭載整機(jī)建立有限元模型，對(duì)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，從整機(jī)模態(tài)中可以提取整機(jī)及復(fù)合支架模態(tài)，如圖4復(fù)合支架模態(tài)頻率及振型，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，最大誤差在4.4%以內(nèi)，分析結(jié)果精度高，后續(xù)以仿真為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化分析。

基于以上測(cè)試及分析結(jié)果，經(jīng)過(guò)多輪次優(yōu)化分析得出，通過(guò)對(duì)復(fù)合支架及油底殼局部加筋處理模態(tài)規(guī)避效果最為明顯，優(yōu)化位置見圖5。優(yōu)化后復(fù)合支架在900- 1200Hz模態(tài)消失，僅存在1210Hz個(gè)模態(tài)頻率。如圖6，優(yōu)化后整機(jī)在900-1200Hz無(wú)明模態(tài)及振型，復(fù)合支架與整機(jī)發(fā)生耦合振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

4? 優(yōu)化驗(yàn)證

采用上述優(yōu)化方案后在臺(tái)架對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的優(yōu)化驗(yàn)收測(cè)試，如圖7、圖8，900-1200Hz共振帶噪聲消失，加速工況在2500r/min以下常用轉(zhuǎn)速噪聲平均降低3dB（A），發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)顯著提升，優(yōu)化效果顯著。

5? 結(jié)語(yǔ)

聲源定位系統(tǒng)的采用可快速鎖定噪聲問(wèn)題的發(fā)生部位，縮小了排查問(wèn)題的范圍，提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

針對(duì)耦合振動(dòng)噪聲問(wèn)題采用試驗(yàn)和仿真分析的方法進(jìn)行，從容易整改的零部件著手進(jìn)行了模態(tài)規(guī)避，避免了整機(jī)產(chǎn)生耦合共振噪聲問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 1495-2018，往復(fù)內(nèi)燃機(jī)噪聲限值[S].

[2]韓全友，廖武，李玉發(fā)，等.某三缸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2012（5）：14-16.

[3]楊慶佛.內(nèi)燃機(jī)噪聲控制[M].1985：266-270.

[4]武艷波.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別及控制技術(shù)[J].中北大學(xué)碩士論文，2007.5：2-35.