某汽油机正时罩盖NVH优化及分析

赵卫平　张卫国　吴　超　于　超　张　明　魏永强　周　硕（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

某汽油机正时罩盖NVH优化及分析

赵卫平1，2张卫国1，2吴超1，2于超1，2张明1，2魏永强1，2周硕1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

通过有限元法对发动机用正时罩盖的动态特性进行分析，获得了正时罩盖的模态频率及振型，根据分析结果制作了多种方案对正时罩盖的结构进行改进，并对改进后的正时罩盖进行了模态分析，得出最终的最优方案，模态分析结果表明：改进后的正时罩盖第一阶模态频率提高了51.5%，且在3000Hz内的阶数减少了2阶。通过试验测试对比表明：在正时罩盖优化后，发动机整机在1m处声压级均值由原来的96.3dB（A）减小到95.3dB（A），降低了1dB（A），降噪效果明显。

正时罩盖NVH有限元分析

引言

随着汽车普及与更新换代的加快，消费者对整车舒适性要求越来越高，发动机NVH作为评价整车性能的重要指标，越来越被人重视。如何解决发动机NVH高的问题，从而改善整车的舒适性，成为各大主机厂面临的越来越艰巨的难题。正时罩盖具有薄壁和表面平而大的特点，是发动机主要的表面辐射噪声源之一［1-2］。因此，提高结构刚度能有效降低这些薄壁件的辐射噪声［3］，对改善发动机的NVH有很大作用［4］。本文结合一款直列六缸汽油发动机，重点分析了正时罩盖结构形式对发动机NVH的影响及正时罩盖优化后的效果。

1　正时罩盖模态分析

1.1正时罩盖简介

本文涉及的正时罩盖安装在一款纵置直列六缸汽油机上，正时罩盖（图1及图2所示）采用整体式结构，此发动机为后端正时，因此正时罩盖外侧与变速器壳体连接，正时罩盖下端连接油底壳，正时罩盖内侧下部连接缸体，中部连接缸盖，上部连接缸盖罩，模态计算采用四面体二次单元进行建模。

图1　正时罩盖外侧

图2　正时罩盖内侧

1.2分析输入（如表1所示）

表1　发动机正时罩盖分析输入

1.3边界条件

约束模态：计算的边界条件的施加与工程实际是否吻合，直接影响到分析结果的合理性和正确性。此次施加的边界条件如下：

1）正时罩盖、缸盖罩与缸体，缸盖相连接的螺栓孔、螺栓过孔施加全约束；

2）正时罩盖与缸盖罩相连接的位置使用RBE2连接；

3）变速器连接螺栓过孔施加全约束；

4）正时罩盖与油底壳相连接的螺栓约束释放了曲轴轴向的约束。

1.4分析结果

用hypermesh对FEA模型做前处理，由abaqus计算得到正时罩盖的约束模态，提取3 000 Hz范围内的约束模态。其固有频率如图3所示。典型的阵型如图4~图7所示。其中颜色越深，变形越大。

图3　正时罩盖固有频率

图4　一阶约束模态1034.5Hz

图5　二阶约束模态1298.6Hz

图6　三阶约束模态1 830 Hz

图7　四阶约束模态1 980 Hz

由以上计算结果可知：正时罩盖的中上部对应的安装VVL处的正时空腔，是正时罩盖最为的薄弱区域，需要优化正时罩盖中上部的结构形式，提高此处的刚度。

2　正时罩盖结构优化

2.1优化加强筋方案

根据以上结果可知，正时罩盖的中上部为正时罩盖的薄弱区域，对其进行加筋优化。具体加筋优化方案如表2所示。

表2　正时罩盖加筋优化方案几何模型对比

2.2优化方案分析结果

优化前后的方案模态计算结果如表3及图8所示，对比如图9～图12所示。

表3　正时罩盖固有频率对比

图8　改进前后的正时罩盖固有频率对比图

图9　1阶约束模态1 567 Hz

图10　3阶约束模态2 356 Hz

图11　5阶约束模态2 695 Hz

图12　6阶约束模态2 917 Hz

通过优化正时罩盖中上部的加强筋结构，使正时罩盖中上部的模态频率有了很大的提高，一阶模态频率提高达50%，效果显著，在3 000 Hz内模态阶数有很大程度的减少，由原来的9阶模态减少为7阶，因此很好地抑制了正时罩盖的辐射噪声。

3　验证试验结果

3.1测量参数及位置（如图13所示）

图13　正时罩盖测点布置

3.2试验项目与工况

1）在怠速工况下对整机进行1 m声压级的噪声测试［5］；

2）在1 000 r/min～5 500 r/min全负荷加速工况下对正时罩盖进行1 m声压级的噪声测试。

3.3试验设备（如表4所示）

表4　测试设备

3.4正时罩盖的怠速测试结果对比（如图14所示）和全负荷加速过程对比（如图15、图16所示）

图14　各面1 m声压级噪声对比

图15　修改前全负荷加速噪声频谱

图16　修改后全负荷加速噪声频谱

由以上结果可知：

1）优化后的正时罩盖在怠速和加速时的振动比原状态正时罩盖的振动明显降低；

2）修改前正时罩盖在1 020 Hz左右可能出现共振，修改后正时罩盖在5 500 Hz以内无明显共振；

3）从固有频率的对比来看，正时罩盖的优化效果对降低发动机其它面的噪声也起到良好的效果。

4　结论

通过对正时罩盖进行模态分析和试验验证，得出以下结果：

1）通过对正时罩盖的结构的优化，使正时罩盖的模态频率由9阶降为7阶，第一阶模态频率提高了51.5%，从而很好地降低了正时罩盖的辐射噪声；

2）正时罩盖的辐射噪声，集中在正时罩盖中上部的凹形空腔，因此在设计中尽量避免较大空腔的出现，此优化方法对其它腔体薄壁类部件的噪声优化提供了很好的参考；

3）通过模态计算，能准确地找到发动机零部件的薄弱位置，使设计者对薄弱位置进行优化，大大缩短了零部件的开发周期，提高了效率；

4）由试验验证结果可知，优化后的正时罩盖，整机各面的1 m声压级均值由原来的96.3 dB（A）减小到95.3 dB（A），降低了1 dB（A），降噪效果明显。

1舒歌群，马维忍，梁兴雨，等.柴油机薄壁件表面辐射噪声的研究［J］.内燃机工程，2009，30（2）：25-28，33

2张焕宇，郝志勇，陈渊博.飞轮壳NVH性能研究与改进［J］.汽车工程，2011（5）:71-73

3姜绍忠，闫文兵，陈越，等.柴油机表面辐射噪声控制研究［J］.机械与电子，2011（5）：71-73

4钱人一.汽车发动机噪声控制［M］.上海：同济大学出版社，1997

5张宗成，杨景玲，张燕，等.发动机油底壳的噪声分析及结构优化［J］.噪声与振动控制，2013，33（6）：115-119

Optimizing and Analysis on NVH Performance for Timing Cover of a Gasoline Engine

Zhao Weiping1，2，Zhang Weiguo1，2，Wu Chao1，2，Yu Chao1，2，Zhang Ming1，2，Wei Yongqiang1，2，Zhou Shuo1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology＆Research Center

This paper introduces the dynamic characteristics of timing cover used on gasoline engine by the finite element method（FEM），gaining the modal frequency and vibration mode of the timing cover. According to these previous results，different schemes to modify the structure of timing cover were designed and calculated.The new results about modal analysis can be attained again，finally the optimal scheme was obtained.The results show that the first order constraint modal frequency is increased by 51.5%，and the order number is reduced by 2 under the range of 3000Hz.Finally，based on above modification，the test results indicate the mean value of 1 m sound pressure level of this engine is reduced from 96.3 dB（A）to 95.3dB（A），and significant benefit is gained from modified structure of timing cover.

Timing cover，NVH，FEM

TK411+.6

A

2095-8234（2015）04-0071-04

2015-03-17）

赵卫平（1986-），男，大专，从事汽车发动机设计。