淺析內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用

宋欣鋼 丁祎 李曉娟

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的革新與發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)得以在汽車、船舶、機(jī)械等現(xiàn)代儀器設(shè)備中廣泛應(yīng)用，并趨向大功率、高效率發(fā)展，但是，這也增加了其高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)及噪聲，影響了能源利用效率、造成了噪聲污染，故而，面臨著節(jié)能降噪的現(xiàn)實(shí)要求。針對(duì)此，本文將以降噪為核心引領(lǐng)，從內(nèi)燃機(jī)噪聲污染的現(xiàn)狀出發(fā)，梳理其主要的結(jié)構(gòu)噪聲源特征，并針對(duì)缸體-曲軸箱、油底殼、齒輪室蓋等零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)分析，以為內(nèi)燃機(jī)整體的優(yōu)化發(fā)展提供有效支撐。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);零部件;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);降噪

中圖分類號(hào)：TK403? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0119-02

0? 引言

隨著科技的進(jìn)步，內(nèi)燃機(jī)得以取代蒸汽機(jī)成為新生的技術(shù)產(chǎn)物之一，其工作原理是將燃料燃燒所生成的熱能轉(zhuǎn)換為一種機(jī)械能，為機(jī)械設(shè)備提供動(dòng)力源，其在汽車、工程機(jī)械、農(nóng)林設(shè)備、船舶、航空及軍事裝備等各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。而當(dāng)前，綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)下，因?yàn)樵肼曌鳛橹饕沫h(huán)境污染源備受各界關(guān)注，各國(guó)均投入了大量的資金及技術(shù)用以減控噪聲源及對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，而內(nèi)燃機(jī)作為多種機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力機(jī)，因?yàn)槠湓陂L(zhǎng)期、高效運(yùn)行，存在頻繁的燃燒、機(jī)械、液體動(dòng)力等噪聲，噪聲污染較為嚴(yán)重，亟待進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，為此，如何根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的噪聲源，進(jìn)行針對(duì)性的降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。而內(nèi)燃機(jī)降噪設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜的工程，可以通過(guò)改善燃油品質(zhì)、促進(jìn)廢氣再循環(huán)、優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)形態(tài)、改進(jìn)供油系統(tǒng)等予以實(shí)現(xiàn)，但是，這些僅一定程度上提升燃燒效率，并不能從根本上解決問(wèn)題，而從內(nèi)燃機(jī)各零部件的噪聲源出發(fā)，把控問(wèn)題本質(zhì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)性的降噪設(shè)計(jì)，是有效減控噪聲的基本方法。

1? 內(nèi)燃機(jī)各零部件結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求

大功率、高效率的內(nèi)燃機(jī)在工作運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，常伴隨頻繁的振動(dòng)及噪聲，給社會(huì)生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的噪聲污染，而綠色、可持續(xù)性發(fā)展要求，內(nèi)燃機(jī)噪聲受到了普遍性的關(guān)注，尤其，隨著汽車保有數(shù)量的急速上升，內(nèi)燃機(jī)的使用量也隨之上升，其帶來(lái)的噪聲污染更為嚴(yán)峻，雖然早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)、歐盟、日本等各國(guó)已經(jīng)關(guān)注該問(wèn)題，并相繼在1967年、1969年、1971年出臺(tái)了噪聲法規(guī)[1]，設(shè)置了轎車、廂式車、卡車等各類汽車噪聲限值，均在80kW以下，而對(duì)比而言，我國(guó)汽車噪聲限值控制在84kW以下，與之存在既定差距，且在1979年才開(kāi)始著眼于控制機(jī)動(dòng)車噪聲，出臺(tái)了GB 1495—79、GB 1496—79等標(biāo)準(zhǔn)，噪聲管控發(fā)展存在一定的滯后性[2]。目前，我國(guó)噪聲限值多直接照搬歐盟標(biāo)準(zhǔn)，并在GB1495-2002新的車輛噪聲法規(guī)中明確規(guī)定：“自2005年1月1日后將3.5噸以下、以上的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下的1米聲壓級(jí)應(yīng)該分別控制在93-95dB（A）、95-97dB（A）”[3]，如此，對(duì)于作為各車輛動(dòng)力機(jī)的內(nèi)燃機(jī)各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及減噪應(yīng)用效果提出了更高的要求，可見(jiàn)，內(nèi)燃機(jī)的降噪設(shè)計(jì)存在現(xiàn)實(shí)緊迫性。

2? 內(nèi)燃機(jī)各零部件結(jié)構(gòu)的噪聲源分析

內(nèi)燃機(jī)各零部件噪聲的產(chǎn)生，與其聲源密切相關(guān)，為此，在闡釋內(nèi)燃機(jī)各零部件結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計(jì)方法之前，首要的任務(wù)就是分析其噪聲源。而結(jié)合以往研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)燃機(jī)噪聲源分為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲、空氣動(dòng)力噪聲，因本文主要研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故而，集中分析其結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲源，因內(nèi)燃機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)特征各異，在激勵(lì)力的影響下會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)構(gòu)表層會(huì)輻射噪聲，據(jù)此，該類噪聲可分為如下幾類：

內(nèi)燃機(jī)的燃燒噪聲：該類噪聲是內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲的最重要形式之一， 其衍生的根源在于燃料在氣缸內(nèi)燃燒時(shí)，因其內(nèi)置壓力迅速上升生成動(dòng)載荷，并通過(guò)活塞連桿、曲軸主軸承傳遞給集體表層，或是經(jīng)由汽缸蓋及缸套側(cè)壁等方式傳遞，造成內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)[4]，進(jìn)而輻射出噪聲。該類型的噪聲取決于燃燒方式及初始燃燒速率，其造成內(nèi)燃機(jī)壓力急速上升多鄰近上止點(diǎn)，為此，燃燒噪聲多發(fā)于該時(shí)間段，而這時(shí)，活塞趨近上止點(diǎn)，缸內(nèi)氣體與氣缸壁接觸面較小，為此，通過(guò)缸套測(cè)側(cè)壁傳遞噪聲的情況較少;同時(shí)，輻射噪聲的強(qiáng)度、頻率范圍寬帶則由氣缸壓力決定，為此，準(zhǔn)確認(rèn)知?dú)飧讐毫Φ念l譜特征是降噪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械噪聲：該類噪聲涵蓋活塞對(duì)缸套的敲擊，以及正時(shí)齒輪、配氣機(jī)構(gòu)、噴油系統(tǒng)等內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)部件之間沖撞生成的噪聲，多源于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中不同運(yùn)動(dòng)部件之間以及各運(yùn)動(dòng)部件與固定部件之間定期性循環(huán)的力，機(jī)械噪聲與內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行工況及各部件結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性等密切相關(guān)。

內(nèi)燃機(jī)的液體動(dòng)力噪聲：該類噪聲是指內(nèi)燃機(jī)中液體流動(dòng)引發(fā)的力激振而帶來(lái)的噪聲，該類型噪聲中，最常見(jiàn)的是燃油噴射系統(tǒng)中因?yàn)榱鲃?dòng)快速流動(dòng)沖擊內(nèi)燃機(jī)的氣缸，要控制該種噪聲，尚未有標(biāo)準(zhǔn)的方法，通常是改進(jìn)液體流動(dòng)性或噪聲隔離。

3? 內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用

結(jié)合上述分析，內(nèi)燃機(jī)各零部件結(jié)構(gòu)上的噪聲源呈現(xiàn)多樣性，而要單一控制燃燒噪聲、機(jī)械噪聲等會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)的整體應(yīng)用性能，且稍有不慎，容易顧此失彼，在控制燃燒噪聲的同時(shí)，可能引發(fā)機(jī)械噪聲的增大，使得降噪效果受限。而從結(jié)構(gòu)上采取優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以從整機(jī)性能出發(fā)，把控噪聲源特質(zhì)，針對(duì)性的降噪，以最大限度的減少內(nèi)燃機(jī)整體噪聲。通過(guò)分析，內(nèi)燃機(jī)噪聲零部件主要包含缸體-曲軸箱側(cè)壁、正時(shí)齒輪蓋、油底殼等，為此，本文著眼于內(nèi)燃機(jī)各零部件的噪聲源特征，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的降噪設(shè)計(jì)，并分析其實(shí)際的應(yīng)用潛能。

3.1 缸體-曲軸箱側(cè)壁結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用要點(diǎn)

通常，內(nèi)燃機(jī)各零部件降噪設(shè)計(jì)多集中在激振力的傳播方式和表面輻射噪聲的效率等層面上，而實(shí)踐中最常用的方法是通過(guò)剛度和阻尼的增加，來(lái)減少表面振動(dòng)，而且，在相同的激振力作用下，通過(guò)結(jié)構(gòu)表面響應(yīng)的控制也可實(shí)現(xiàn)降噪設(shè)計(jì)的目的。曲軸箱因?yàn)閯偠容^弱、振動(dòng)較強(qiáng)，成為表面輻射噪聲的多發(fā)零部件，而且，曲軸箱的振動(dòng)可繼續(xù)傳播給重要的噪聲輻射面罩殼，加劇其振動(dòng)，據(jù)此，根據(jù)該零部件的噪聲源特征，通過(guò)減弱或消除缸體-曲軸箱的表面響應(yīng)是實(shí)現(xiàn)控制其表面輻射噪聲的關(guān)鍵所在;同時(shí)，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)剛度的提升來(lái)達(dá)到減控曲軸箱表面輻射噪聲的目的，通過(guò)剛度的增加可適度的提升結(jié)構(gòu)的固有頻率，讓其趨近結(jié)構(gòu)衰減系數(shù)最大值的頻率區(qū)域，而結(jié)構(gòu)剛度、固有頻率提升的路徑多集中在壁厚增加、引入整體式軸承梁、曲軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、在缸體振動(dòng)最大部位加筋等方法之上，采用這些措施能夠讓結(jié)構(gòu)固有頻率額增至曲軸箱結(jié)構(gòu)衰減系數(shù)較大的區(qū)域，以有效脫離1000-2000Hz的噪聲峰值[5]，且板結(jié)構(gòu)的固有頻率與板厚近似正比，為此，壁厚的增加可顯著達(dá)到減控表面輻射噪聲的目的，而缸體-曲軸箱結(jié)構(gòu)上部分的剛度較強(qiáng)，下部分剛度較弱，表面輻射噪聲大，若假裝整體式軸承結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在下部“開(kāi)口箱”增設(shè)了一個(gè)梁，提升了其剛度，自然就會(huì)控制表面噪聲。

3.2 齒輪蓋結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用

齒輪蓋表面輻射噪聲是內(nèi)燃機(jī)主要的噪聲源，為實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計(jì)，可根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1895-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法》的方法[6]，通過(guò)在半自由聲場(chǎng)的無(wú)噪聲式內(nèi)測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)的噪聲，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，前端面測(cè)點(diǎn)的噪聲值較其他測(cè)點(diǎn)要高出很多，也即內(nèi)燃機(jī)齒輪蓋前端面的噪聲占據(jù)更大的比值。而精準(zhǔn)把控齒輪蓋前端表面輻射噪聲的分布特征，以650r/min、1500r/min、2200r/min的轉(zhuǎn)速利用環(huán)形聲陣列對(duì)前端面進(jìn)行聲場(chǎng)掃描[7]，得出減震器、皮帶輪為齒輪蓋前端面輻射噪聲的主要來(lái)源。而因?yàn)辇X輪室為存在一定壁厚的鑄件，需要在控制齒輪室罩蓋重要的同時(shí)，利用拓?fù)浼靶螤钔瓿升X輪蓋結(jié)構(gòu)的降噪設(shè)計(jì)，其中，拓?fù)鋬?yōu)化是在預(yù)設(shè)載荷條件下，探究控制齒輪蓋表面輻射噪聲的結(jié)構(gòu)材料最佳分布的優(yōu)化技術(shù)，因?yàn)辇X輪蓋雙側(cè)的空間狹窄，且外面配設(shè)張緊輪、皮帶，內(nèi)部設(shè)置齒輪部件，為此，設(shè)定齒輪蓋的凹陷區(qū)域、雙側(cè)面的翻邊區(qū)域分別為拓?fù)淇臻g1、2，結(jié)構(gòu)材料可否保留，取決于拓?fù)淇臻g優(yōu)化結(jié)果，保留其區(qū)域內(nèi)的高密度單元、剔除低密度單元即可完成降噪設(shè)計(jì);形狀優(yōu)化則是通過(guò)調(diào)整內(nèi)燃機(jī)齒輪蓋的結(jié)構(gòu)外形，來(lái)控制應(yīng)力、增加頻率，其多采用非參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)將不同形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)空間劃分不同的降噪控制區(qū)域，并將其簡(jiǎn)化為關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)位置，基于這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)移動(dòng)，即可改變內(nèi)燃機(jī)齒輪蓋的結(jié)構(gòu)形狀，以達(dá)到降噪的目的。

3.3 油底殼結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計(jì)及應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)油底殼作為一種薄壁沖壓件，在未經(jīng)過(guò)多次模擬及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的情況下，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)剛度以減控外部聲發(fā)射表面的振動(dòng)是首選的結(jié)構(gòu)降噪設(shè)計(jì)方法。因?yàn)橥ǔ＃偷讱ざ酁?mm壁厚的沖壓薄鋼板，剛度欠佳，為此，實(shí)現(xiàn)降噪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是增加其結(jié)構(gòu)剛度及固有頻率，而針對(duì)該零部件的結(jié)構(gòu)特征，增加結(jié)構(gòu)剛度最有效的方法是加壓痕筋，形貌優(yōu)化技術(shù)提供了壓痕筋自動(dòng)尋找的方法，為此，可采用該方法對(duì)油底殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。在具體應(yīng)用中，在進(jìn)行形貌優(yōu)化之前應(yīng)預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)區(qū)域，可通過(guò)處理原始油底殼的集合模型，來(lái)剔除油底殼的加強(qiáng)筋，而后，將提出加強(qiáng)筋的油底殼優(yōu)先模型劃分為側(cè)板、底板、側(cè)壁等不同設(shè)計(jì)區(qū)域，在這些設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)設(shè)置筋的凹陷及延伸方向，而根據(jù)油底殼沖壓工藝要求，其底面及側(cè)立面的凹陷方向、側(cè)面筋的延伸方向，應(yīng)該分別為表面的內(nèi)法先方向、油底殼安裝后豎直向下的方向，且在加壓痕筋時(shí)需使用寬度相同、高度為10mm及拔模斜度為70°的壓痕筋。

4? 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)燃機(jī)作為汽車、農(nóng)林及工程機(jī)械的動(dòng)力機(jī)，在純電動(dòng)、氫燃料、太陽(yáng)能等新能源因?yàn)楹诵募夹g(shù)短板、基礎(chǔ)設(shè)施滯后等尚未全面推行下，其仍是各類機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力支撐，具有廣泛應(yīng)用性，但也因此成為綠色動(dòng)力改革下關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其隨著內(nèi)燃機(jī)向高速、大功率、高效率方向發(fā)展，如何控制或減少其噪聲污染成為最緊迫之需，為此，上述研究圍繞減噪，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)各零部件聲學(xué)特性的分析，把控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及方法，并分析其應(yīng)用性能，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)節(jié)能降噪發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛毅，鄒洪富，張靜.內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（07）：188-189.

[2]林翔.內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（21）：20-21.

[3]殷滿華.內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].時(shí)代汽車，2020（21）：128-129.

[4]劉志堅(jiān)，張力，楊潔.內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（20）：12-13.

[5]陸安宇.內(nèi)燃機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（06）：21-22.

[6]Koji M . Fuel injection control apparatus and fuel injection control method for internal combustion engine[J]. Journal of Organic Chemistry， 2011， 65（21）：7055-7058.

[7]Saigakov E A ，? Gorshkalev A A ，? Kayukov S S ， et al. Strength Analysis of the Internal Combustion Engine Elements by Using CAD/CAE-Systems[J]. Research Journal of Applied Sciences， 2014， 9（10）：669-673.