某型柴油發(fā)動機油底殼系統(tǒng)振動噪聲優(yōu)化

高維進 陳婷 溫拾平 涂濤 劉勇

摘要：針對某型柴油發(fā)動機油底殼系統(tǒng)振動噪聲問題，結合NVH測試及計算機仿真分析技術確定噪聲來源及產(chǎn)生原因。提出多種改善方案，利用計算機仿真技術及制作快速樣件，識別出最優(yōu)方案。批產(chǎn)驗證表明，該車型“嗡嗡”異響消失，顧客的用車體驗得到有效提升。

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.

關鍵詞：柴油機;油底殼系統(tǒng);振動噪聲;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亟待解決的課題[1-2]。在某型柴油發(fā)動機開發(fā)過程中，路試整車暖機后，車外出現(xiàn)“嗡嗡”異響，主觀評判不可接受。本文利用NVH測試及計算機仿真技術，確定噪聲來源于油底殼。基于計算機模擬分析及樣件試制，最終確定了在油底殼內部焊接肋板的方案，成功解決該噪音問題。

1? 故障現(xiàn)象確認

1.1 噪聲水平確認

為準確、定量的評估噪聲情況，分別測試了故障車的車外噪聲和駕駛室內噪聲。NVH測試結果顯示，車外最大噪聲為85.4dB，高于國標中74dB的車外噪音限值[3-4]，駕駛室內噪聲43dB，滿足一般使用需求。

1.2 噪聲源識別

在故障車發(fā)動機底側曲軸箱及油底殼上布置傳感器，檢測出油底殼存在約151Hz的共振帶，是油底殼受151Hz共振激勵而產(chǎn)生振動噪聲。

2? 發(fā)動機油底殼系統(tǒng)理論設計

發(fā)動機油底殼是典型的薄壁零件，極易產(chǎn)生誘導振動，其輻射噪聲占整機總輻射噪聲的20%左右[5]?；谟邢拊治龇?，對故障車中含機油油底殼動態(tài)特性進行分析，為優(yōu)化油底殼系統(tǒng)振動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題，油底殼系統(tǒng)結構動力學方程為：

在結構與流體耦合問題分析中，需要把結構動力學方程和流體動力學方程與流體連續(xù)性方程一起考慮。在機油與油底殼作用的耦合區(qū)，機油振動產(chǎn)生的壓力作用在油底殼內表面，對油底殼的振動產(chǎn)生影響，同樣油底殼內表面的振動會引起機油的擾動，從而為機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態(tài)載荷結構設計中的重要參數(shù)。

2.2.1 假設及限制條件

①結構及流體自由度有效;

②結構剛度及質量影響是線性的;

③阻尼特征求解器沒開時沒有阻尼;

④結構沒有隨時間變化的力、位移壓力或溫度等邊界條件。

2.2.2 分析描述

假定系統(tǒng)為有振動且忽略阻尼，則式（1）可以簡化為

■ （3）

假設結構做簡諧振動，即有：

求解式（5）、式（6）聯(lián)立的方程組，便可得到n個固有頻率ωi（i=1，2，…，n），代入式（4），即可得到特征向量Φi。由此，求解一個多自由度系統(tǒng)的固有頻率和振型的問題就歸結于求方程組的特征值和特征向量的問題。設計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/質量矩陣的比值。

3? 優(yōu)化方案設計

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)的質量，而減少系統(tǒng)質量則會引起節(jié)點速度增加。因此，本文主要考慮通過提高結構剛度來提高油底殼系統(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

對三種優(yōu)化方案分別進行CAE分析，結果如圖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;機油的模型采用流體單元，密度為0.87g/cm3，聲速為1300m/s。計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行NVH測試，評估優(yōu)化效果。

4? 優(yōu)化效果驗證

4.1 快速樣件效果驗證

將基于方案二制作的快速樣件搭載故障車進行NVH測試，測試效果良好，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)驗證

隨機抽取工裝樣件進行測試，一階模態(tài)提高至221.44Hz，較快速樣件提高3.44Hz，兩次測量結果相差1.55%，遠大于激勵源振動頻率151Hz，噪音水平明顯改善;將工裝件搭載20臺整車，車內外均無異響，改善明顯，主觀駕評可接受。

5? 結束語

通過對某型柴油發(fā)動機油底殼系統(tǒng)的振動噪聲問題進行NVH測試、計算機仿真分析，確定噪聲來源及產(chǎn)生原因，并提出三種改善方案?；谀B(tài)分析結果，綜合零件可靠性、成本、工藝性和裝配性，選擇在油底殼內部焊接肋板作為最優(yōu)方案。經(jīng)批產(chǎn)驗證，該車型“嗡嗡”異響消失，有效改善了顧客用車體驗，提升產(chǎn)品滿意度。

參考文獻：

[1]于文尚，張培賢，等.發(fā)動機側置進氣口脈動噪聲分析與改進[J].客車技術與研究，2017（6）：19-21.

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[3]GB 1495-2002，汽車加速行駛車外噪音限值及測量方法[S].北京：中國標準出版社，2002.

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

[5]張海娟.發(fā)動機油底殼振動與噪聲輻射研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2006.