某发动机正时盖罩辐射噪声优化的研究

2015-07-16王金立张立庆

山东工业技术 2015年18期

李凯,王金立,张立庆,王强

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心,合肥 230601）

0 前言

噪声已被公认为一种重要的环境污染。国内外都制定了许多有关噪声控制的标准和法规。人们对整车舒适度要求不断提高，降噪是提高整车舒适度的方法之一，所以发动机降噪逐渐被重视起来[1]。发动机正时罩壳具有薄壁件和大平面的特点，所以发动机前方往往是主要的噪声辐射方向。

某发动机在试验开发过程中发现，前方是主要的噪声源。通过频谱分析，噪声源识别，确定正时盖罩共振辐射噪声是前方主要噪声源[3]。通过CAE计算及分析确定了优化方案：

（1）上正时盖罩加筋处理，同时在中间位置增加固定螺栓。

（2）下正时盖罩加筋处理。通过试验验证，正时罩壳大大降低了发动机前方和整机噪声水平。

1 问题描述

试验是在发动机半消声室里进行，台架布置如图1。在发动机进气侧、排气侧、上方和前方各布置一个麦克风，距离发动机1m。

图1 台架布置图

发动机全负荷加速工况记录四个方向的噪声，试验结果如图2。从试验结果可以看出发动机四个方向中，发动机前方噪声最大，较其余三个方向大3-6dBA左右，占整机辐射噪声的50%以上，是主要的噪声辐射源。因此发动机的前方是NVH优化优先考虑的方向。本文主要是以发动机前方正时盖罩为研究对象，对发动机进行降噪。

图2 发动机四个方向噪声

2 问题分析

2.1 频谱分析

发动机前方噪声频谱存在两处明显的共振噪声，中心频率分别为1015Hz、1740Hz。通过数字滤波回放，两处共振噪声能量均较大，1015Hz频带噪声更加突出，整机声品质较差。所以必须找出两处共振噪声的源头，才能针对性的进行整改，对发动机进行降噪。

2.2 噪声源识别

发动机噪声源识别的方法很多；文中只列举了近场测量法，表面振动测量法，基于Beamforming声源识别法。

近场测量法：在发动机上下正时盖板中心位置各布置一个近场麦克风，距离盖罩的辐射面0.3m。试验表明1015Hz频带噪声主要是由上正时盖罩振动辐射产生，1740Hz频带噪声主要是由下正时盖罩振动辐射产生，如图3。

图3 发动机上、下正时盖罩噪声colormap图

表面振动测量法：在发动机上下正时盖板中心位置均布置了振动传感器。从colormap图上可以看出，上正时盖罩上沿着发动机曲轴轴线方向存在1015Hz的结构共振，下正时盖罩上存在1740Hz的结构共振。所以可以推断1015Hz频带的噪声是由发动机上正时盖罩共振辐射产生；1740Hz频带噪声主要是由发动机下正时盖罩共振辐射产生。

声源定位测量法：发动机前方1015Hz共振噪声位于发动机上正时盖罩中心处。1740Hz共振噪声位于发动机下正时盖罩中心的位置通过试验数据分析，发动机正时盖罩存在明显的共振，对前方噪声贡献较大。

3 正时盖板有限元建模及模态分析

首先建立有限元模型，包括发动机上下正时盖罩、部分机体、部分缸盖、部分凸轮轴盖。有限元模型由HyperMesh划分，网格类型选择C3D10，计算采用ABAQUS解算器。

因正时罩为薄壁件，相比之下机体刚性很大，为此对盖板进行约束模态分析。盖罩与机体的结合面设定边界接触。计算结果与上述试验结果一致，正时盖罩的前两阶阶模态频率为1048Hz、1812Hz，与测试结果中的上下盖板的振动频率相接近，而且振动位置吻合，均为正时盖罩中间区域的局部鼓动。通过以上现象分析表明，正时盖板在中间区域缺少固定支撑和加强筋，导致盖板的局部刚度较低，在外部载荷的激励下，容易引起明显的振动响应。

设置设计变量为优化区域，响应为前两阶固有频率及体积比，目标函数为体积比最小，约束条件为第1、2阶模态固有频率。采用拓扑优化技术进行分析得到初步的优化结果。根据优化区域拓扑图，结合零件的加工工艺及装配约束，对原始模型进行修改得到正时盖罩的最终优化模型。上正时盖板原盖板的基础上采用满布式方形加强筋，同时在盖板的中心位置添加了固定螺栓，下正时盖罩增加加强筋。CAE分析显示一阶模态频率提高到了1698Hz，提高了70%，下盖罩模态频率提高到2000Hz以上，较原正时盖板模态明显提高。

4 试验验证

4.1 单体模态试验结果

在正时盖罩表面划分响应点，并进行标记，响应点应尽量避开物体的振动节点。在盖罩外表面依次选取40个响应点，采取移动振动传感器，单输入多输出的方式进行激励测试。由于模态试验测的是自由模态，本次只对比整改前后7-10阶模态频率的变化，即正时盖罩刚度的变化。从试验结果可以看出，整改件7-10阶模态频率提高20%以上。

4.2 噪声振动试验结果

将优化后的上下正时盖罩进行试验验证。考察优化方案的准确性及优化效果。试验表面，优化后的上正时盖罩的一阶共振频率为1650Hz，下正时盖罩在2000Hz以内无共振，试验结果与仿真结果基本一致。发动机前方噪声平均降低1-2dB（A），四方平均噪声降低约0.5-1dB（A），有效解决了发动机前方噪声大的问题，同时提高了整机的声品质。