某汽油机正时罩盖辐射噪声的优化研究



某汽油机正时罩盖辐射噪声的优化研究

宿朋，常明明，白国栋，秦少博，宋兆哲

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定071000；

2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定071000）

摘要基于某款发动机正时罩盖辐射噪声问题，通过对发动机整机进行有限元分析，并结合试验测试结果，找到了理论分析与实际测试的契合点；同时通过对物体本身模态频率的理论分析，找到了解决此问题的方法；最终通过发动机及整车的NVH试验，对改善方案进行了验证，辐射噪声分别降低9 dBA和8 dBA。

关键词：汽油机正时罩盖辐射噪声

来稿日期：2015-04-21

1　引言

随着全球经济化的快速发展，内燃机生产和开发逐步走向国际化、合作化。在汽车产量逐年提升的同时，发动机的质量也正朝着低污染、低能耗、低噪声、高输出、高效率、高可靠性等方向发展。汽车整车NVH性能的优劣已成为衡量汽车质量的重要指标之一[1, 2]，其所搭载发动机的噪声问题引起了越来越多的用户和生产厂家的重视。为满足发动机轻量化的要求，发动机多采用整体式正时罩盖；但整体式正时罩盖存在着壁薄、表面平面大、刚度比较小，造成NVH效果差的缺点[3, 4]。本文通过对正时罩盖本体及整机模型进行有限元分析，找到了问题真因，通过更改正时罩盖自身结构，降低了辐射噪声[5]，解决了整车噪声问题。

2　现象描述和初步分析

某款新开发乘用车，搭载某款汽油机进行整车NVH摸底试验时，驾驶员反馈，整车怠速过程中发动机噪声过大。

对该汽油机在整车状态下进行NVH测试，发现在怠速工况时踩下离合器，驾驶员右耳处有2 000 Hz的噪声，同时发动机正时侧在2 000 Hz存在噪声峰值，结合前期发动机声源定位数据推断，该异响为正时罩盖共振辐射噪声。发动机及整车噪声测试数据及发动机声源定位图，见图1和图2。

3　发动机模态分析

图1　发动机及整车噪声测试结果

图2　发动机声源定位图

为准确地模拟正时齿轮罩盖实际工作情况，同时验证理论分析与试验测试结果的差异性，对发动机整机及正时齿轮罩盖单体进行有限元分析。

将单体、整机有限元模型导入Abaqus软件中进行求解，得到整机各阶次的模态振型及频率。其中有3个阶次的发动机，在声源定位处存在模态振型。模态频率如表1所示，模态振型如图3和图4所示。

表1　整机模态频率

从图3发动机整机模态振型上看，发动机在模态阶数为1、2和3时，模态频率均在2 000 Hz左右。表明理论模态分析与实际NVH试验测试结果基本相符，同时3阶频率模态振型位置均在正时罩盖本体上，整机其他位置无明显模态振型；因此改善此处振型需从正时齿轮罩盖本体入手。从图4单体模态振型上看，正时齿轮罩盖处的主要振型方向为前、后方向。

图3　整机模态振型

4　方案讨论及目标确定

4.1基本原理

物体自身模态频率棕可由下式求得：

式中，

k——物体自身结构刚度；

m——物体本身质量；

浊——安全系数。

物体自身抗弯截面系数Wz可由下式求得：

式中，

b——物体自身宽度；

h——物体自身高度/厚度。

从图5谐阶激励响应图谱可知，孜越大，两个物体之间共振的幅值越小，因此安全系数一般定为1.3。

图4　正时齿轮罩盖单体模态振型

图5　谐阶激励响应图谱

4.2改进方案及目标的确定

由式（1）可知，增加结构的刚度k可以有效地提高物体自身模态频率；同时通过恰当的设计减小辐射噪声表面面积，也是控制表面辐射噪声的有效措施。

由式（2）可知，增加物体的厚度或高度h，可以有效地提高物体自身的抗弯截面系数，进而增强物体自身的刚度。

根据上述分析，决定采用改变正时齿轮罩盖自身厚度、结构等方案，提高其结构刚度和模态频率；同时考虑1.3的安全系数，将整机状态下声源定位处的模态频率目标值提高至2 600 Hz。

4.2.1增加正时齿轮罩壳壁厚

改进优化方案1：为了提高前、后方向的抗弯截面系数，将正时齿轮罩盖整体壁厚由3 mm增加到4 mm，其他结构不变，以提高结构刚度，产品重量增加14%。

4.2.2正时齿轮罩盖结构优化

改进优化方案2：为了改变正时齿轮罩壳的模态频率，从下面2个方面采取改进措施：（1）为了减小大平面结构，在前端上面原单一大平面上，增加一层台阶结构，并在局部位置增加圆球形、异形凸起结构；（2）为了改善结构刚度，在背部增加了加强筋数量及高度。正时齿轮罩壳结构改进前后参见图6和图7。

5　改进效果对比

5.1整机模态分析对比

采用方案1，整机状态下噪声源处的模态频率为2 229 Hz。相比原方案，方案1的模态频率提高了139Hz，但仍未达到初始设定目标2 600 Hz的要求，见图8。

图6　改进前后正时齿轮罩盖结构对比（正面）

图7　改进前后正时齿轮罩盖结构对比（反面）

图8　方案1的整机模态振型

采用方案2，整机状态下噪声源处的模态频率为2 642 Hz。相比原方案，方案2的模态频率提高了552 Hz，达到了初始设定目标的要求，见图9。

经过理论分析表明，方案2改善效果较方案1明显，且模态频率大于目标值2 600 Hz要求。采用方案2可以解决此问题，同时产品重量没有增加。

图9　方案2的整机模态振型

5.2整机试验测试结果对比

对方案2改善后的正时齿轮罩盖样件分别进行了发动机及整车NVH的测试。整车在怠速工况下，发动机正时齿轮罩盖2 000 Hz的辐射噪声峰值降低了8 dBA，见图10；发动机在怠速工况下，发动机正时罩盖2 000 Hz辐射噪声峰值降低9 dBA，改善效果明显，见图11。

图10　整车噪声测试结果

图11　发动机台架噪声测试结果

6　总结

（1）通过对发动机整机及正时齿轮罩盖分别进行模态分析，判定理论分析与实际测试的差异性。

（2）通过增加加强筋的数量、更改正时齿轮罩盖表面结构，提高了噪声源处的模态频率，减少大平面结构的面积，起到了降低辐射噪声的作用；同时正时齿轮罩盖自身重量未增加，保证发动机整体质量与更改前一致，避免成本增加。

（3）最终通过发动机台架及整车NVH的测试，改进后正时齿轮罩盖在2 000 Hz处的发动机噪声峰值降低了9 dBA，整车噪声降低了8 dBA，改善效果明显。

参考文献

[1]钱人一.汽车发动机噪声控制[M].上海：同济大学出版社，2008：81-82.

[2]梁兴雨.内燃机噪声控制技术及声辐射预测研究[D].天津：天津大学，2006.

[3]陈秀娟.实用噪声及振动控制[M].北京：化工工业出版社，1999.

[4]杨诚，周科，陈旭.发动机壳体辐射噪声预测[J].江苏大学学报：自然科学版，2010，31(4)：393-396.

[5]熊勇刚.发动机壳体噪声辐射控制研究[J].湖南大学学报，2012（5）：44-47.

Optimization of Timing Cover of A Gasoline Engine to Reduce Radiated Noise

Su Peng, Chang Mingming, Bai Guodong, Qin Shaobo, Song Zhaozhe

（1. Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000, China;

2. Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center, Baoding 071000, China）

Abstract:To reduce the radiated noise from the timing cover of an gasoline engine, a finite element analysis of the whole engine was conducted according to the results of actual NVH test of the vehicle to locate the noise source-engine timing cover. Then mode frequency of the cover was analyzed and the solution to the problem was developed. Validated by NVH test, the solution can reduce the radiated noise of the engine and vehicle by 9 dBA and 8 dBA respectively.

Key words:gasoline engine, timing cover, radiated noise

作者简介：宿朋（1989-），男，助理工程师，主要研究方向为发动机结构设计与强度分析。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.007