涡轮增压直喷汽油机变速器噪声的试验研究*

刘凯敏，杨 靖，朱继明，冯仁华,2，刘敬平，李 克

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.重庆理工大学，汽车零部件及先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

2016081

涡轮增压直喷汽油机变速器噪声的试验研究*

刘凯敏1，杨 靖1，朱继明1，冯仁华1,2，刘敬平1，李 克1

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；2.重庆理工大学，汽车零部件及先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

本文利用铅覆盖对某涡轮增压直喷汽油机各转速下空载加速和满载加速工况进行了变速器噪声试验研究。结果表明：发动机的负荷对变速器噪声影响较大，随着负荷的增加，变速器噪声也增加。空载加速时，变速器噪声较小，其他噪声占主要成分。满载加速时，变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度随着转速的增加先升高后降低。同一负荷下，随着转速的增加，变速器噪声也增加。总体上看，空载和满载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的平均贡献率分别为19.2%和29.1%。

汽油机；变速器噪声；试验研究；发动机负荷；噪声贡献度

前言

汽车噪声已经成为环境噪声污染的主要来源之一，其大小是衡量汽车质量水平的重要指标，因此，汽车噪声控制是目前世界汽车工业的一个重要课题[1-3]。

汽车噪声由各零部件产生的噪声共同组成，而变速器是汽车的重要传动部件。理论与试验研究均表明：变速器的噪声是汽车噪声的一个重要组成部分[4]。变速器噪声的发生机理相当复杂，它产生的主要原因是气缸内的高压气体周期性变化，从而导致发动机结构的振动，然后传递到变速器表面辐射出来。变速器噪声受变速器速度和发动机缸内压力升高率等因素的影响，并且和发动机的动力性、经济性和排放性密切相关[5]。

不同类型的噪声其控制方法也不同，因此，有效地分离各种噪声成份，识别它们对整机噪声声功率的贡献度，对采用合理和有效的措施控制不同类型的噪声成分乃至整机的辐射噪声具有十分重要的意义[6]。所以，正确识别和分离发动机的变速器噪声是进行发动机噪声控制的一个重要基础[7]。常用的声源识别方法有：主观评价法、铅覆盖法、分别运行法、信号分析法、表面振速测量法和声强测量法[8]。本试验研究以某涡轮增压直喷汽油机为研究对象，采用铅覆盖法对该汽油机在各转速下的空载和半载工况变速器噪声进行测量和分析，研究了不同转速、不同负荷下该汽油机变速器噪声情况。为该发动机变速器噪声的进一步分析和优化提供了支持和指导。

1 发动机变速器噪声分离

1.1 铅覆盖法简述

铅覆盖法是利用铅板将整个发动机或一些主要的声源包裹起来，由于铅是一种高阻尼材料，所以在理想情况下发动机完全用铅包覆以后，辐射的声功率级接近于零。在覆盖表面与铅板之间安装吸声材料(玻璃纤维)以隔振，防止回响的形成。然后将发动机某一部分表面暴露出来，该部分噪声将显著增加，通过计算即可推出发动机各个部分辐射噪声的大小，从而找出主要的噪声源[9]。铅覆盖法一般要求在消声室或混响室内进行。

1.2 变速器噪声分离计算

发动机变速器噪声分离也可采用分别运转消去法，主要步骤为：首先测量发动机的总体噪声，然后对需要识别的发动机部位，通过用铅覆盖或暂时停止其工作的方法控制其噪声辐射，最后根据声压级或者声功率叠加原理，从两次的测试结果计算出这部分辐射噪声的大小。

在进行发动机变速器噪声分离试验时，分别测量变速器包覆铅板(厚2mm)前后，发动机在所研究工况下进气侧、排气侧、前侧面、后侧面和顶侧面的1m声压级和油底壳下方25cm处的声压级，从而算得变速器噪声的贡献值。

根据发动机前、后、上、左、右和油底壳下方6个传感器测得的声压值，计算1m平均声压级。

(1)

对应的声功率级为

LW=LP+lgr+11

(2)

式中：LW为声功率级，dB(A)；r为测点距离，m。

而声功率为

W=10(0.1LW-12)

(3)

式中W为声功率，W。

变速器噪声声功率对整机噪声的贡献度为

(4)

式中η为变速器噪声对整机的贡献度。

2 变速器噪声试验设备及过程

2.1 发动机基本参数和测试设备

试验发动机为某立式、直列、水冷、四行程、废气涡轮增压、缸内直喷汽油机，其基本参数如表1所示。

表1 试验发动机基本参数

噪声源识别试验在天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室振动和噪声实验室中进行。其长×宽×高尺寸为11.4m×7.2m×6.9m。用吸声尖劈覆盖四周的墙壁和顶棚，地面为平整的水泥地面。该试验室不受风速的影响，最低背景噪声只有18dB。主要试验设备如表2所示。

表2 主要试验设备

2.2 试验过程

本次发动机变速器噪声试验主要以稳定转速下发动机拖动噪声的测试为主，测试时首先使发动机达到国标规定的工作状态，发动机的水温和油温上升到发动机正常工作时的温度，然后将发动机拖动到稳定测试工况，分别对发动机各转速下空载加速和满载加速两种工况下的变速器噪声进行测试。

发动机前、后、上、下、左、右6个面的边缘包络面示意图如图1所示，变速器包裹后如图2所示。

图1 测试表面矩形包络面

图2 变速器包裹后状态图

3 变速器噪声试验结果

3.1 空载加速变速器噪声试验结果

图3～图7为发动机空载加速工况下进气侧、排气侧、前侧面、后侧面和顶面变速器噪声1m声压级测试结果，图8为发动机空载加速工况下油底壳下方25cm处变速器噪声的声压级测试结果。图9为空载加速时变速器噪声1m平均声压级曲线，图10为空载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度。

图3 空载加速时进气侧变速器噪声

图4 空载加速时排气侧变速器噪声

图5 空载加速时前侧面变速器噪声

图6 空载加速时后侧面变速器噪声

图7 空载加速时顶面变速器噪声

图8 空载加速时油底壳下方25cm处变速器噪声

图9 空载加速时变速器噪声1m平均声压级

图10 空载加速时变速器噪声对整机声功率的贡献度

从图3～图8中可以看出，发动机空载加速时，变速器噪声随着转速的增加总体呈现上升趋势，但个别转速，如3 600和3 800r/min也有噪声下降的现象。变速器噪声对排气侧的贡献量最小，对进气侧的贡献度最大。从图9可以看出，变速器噪声随发动机转速的变化趋势和各个侧面的变化基本相同；由图10可见，空载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度随着转速的增加变化不大，在10.7%～27.6%范围内波动。

3.2 满载加速变速器噪声试验结果

图11～图15为发动机满载加速工况下进气侧、排气侧、前侧面、后侧面和顶面的变速器噪声1m声压级测试结果。图16为发动机满载加速工况下油底壳下方25cm处变速器噪声的声压级测试结果。图17为满载加速时变速器噪声1m平均声压级曲线，图18为满载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度。

图11 满载加速时进气侧变速器噪声

图12 满载加速时排气侧变速器噪声

图13 满载加速时前侧面变速器噪声

图14 满载加速时后侧面变速器噪声

图15 满载加速时顶面变速器噪声

图16 满载加速时油底壳下方25cm处变速器噪声

图17 满载加速时变速器噪声1m平均声压级

图18 满载加速时变速器噪声对整机声功率的贡献度

从图11～图16中可以看出，发动机满载加速时，变速器噪声随着转速的增加总体上呈现上升趋势。从图17可以看出，变速器噪声随发动机转速的变化趋势和各个侧面的变化基本相同，在低转速时，变速器噪声很小，但在中低转速变速器的噪声有较大幅度的提高，在2 400～3 400r/min转速范围内，变速器的噪声声压级差不多和包裹后的发动机噪声相当，在高转速时，发动机变速器噪声的1m平均声压级变化不大。由图18可以看出，满载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度随着转速的增加先升高后降低，在低速时，其贡献值不到10%，但是在中等转速，特别在2 400～3 400r/min转速范围内的贡献值较大，其贡献值在39.8%～47.3%范围内波动。这主要是因为满载时，该涡轮增压直喷汽油机在2 400～3 400r/min转速范围内产生较大的转矩，变速器所承受的负载较大，导致变速器噪声对整机噪声声功率贡献度较大。

3.3 不同负载下变速器噪声对比

图19为空载和满载加速时的变速器噪声1m平均声压级对比，图20为空载和满载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度对比。

图19 不同负载下变速器噪声1m声压级对比

图20 不同负载下变速器噪声对整机声功率的贡献度对比

由图19可以看出，发动机的负荷对变速器噪声影响较大，随着负荷的增加，变速器噪声也增加；由图20可以看出，在低转速时，随着发动机负荷的增加，变速器噪声对整机声功率的贡献度降低，但是在中等转速时，发动机负荷越大，变速器噪声对整机声功率的贡献度越大。在高转速时，变速器噪声对整机声功率的贡献度随着负荷变化的影响不明显。总体上看，满载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度比空载加速时大很多，空载和满载加速时变速器噪声对整机声功率的平均贡献值分别为19.2%和29.1%。

4 结论

通过对各转速下下发动机空载和满载时的变速器噪声试验研究，得出以下几点结论。

(1) 发动机的转速对变速器噪声影响较大。同一负荷下，随着转速的增加，变速器噪声也增加。

(2) 发动机的负荷对变速器噪声影响较大，随着负荷的增加，变速器噪声也增加，而且变速器噪声对整机声功率的贡献度也增加，特别是在中高转速影响较大。

(3) 在空载加速时，变速器噪声较小，其他噪声占主要成分，变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度随着转速的增加变化不大，其贡献值在10.7%～27.6%范围内波动。

(4) 在满载加速时，变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度随着转速的增加先升高后降低。在2 400～3 400r/min这段转速范围内，其贡献值在39.8%～47.3%范围内波动。

(5) 总体上看，满载加速时变速器噪声对整机噪声声功率的贡献度比空载加速时大很多，空载和满载加速时变速器噪声对整机声功率的平均贡献值分别为19.2%和29.1%。

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An Experimental Study on the Transmission Noise ofa Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

Liu Kaimin1, Yang Jing1, Zhu Jiming1, Feng Renhua1,2, Liu Jingping1& Li Ke1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082； 2.ChongqingUniversityofTechnology,KeyLaboratoryofAdvancedManufactureTechnologyforAutomobileParts,MinistryofEducation,Chongqing400054

In this paper, an experimental study on transmission noise is conducted under no-load and full-load acceleration conditions at different rotation speeds of a turbocharged gasoline direct injection engine with lead-covering technique. The results show that engine loads have significant effects on transmission noise. Transmission noise rises with the increase of engine load. At no-load acceleration, transmission noise is relatively low with other noises dominating the major components. At full load acceleration, with the increase of engine speed, the contributions of transmission noise to the overall sound power of engine noise rise first and then fall. Under same engine load, transmission noise increases with the rise of engine speed. On the whole, the average contribution rates of transmission noise to the overall sound power of engine noise at no-load and full load accelerations are 19.2% and 29.1% respectively.

gasoline engine; transmission noise; experimental study; engine load; noise contribution

*国家863计划项目(2012AA111703)和湖南省研究生科研创新项目(CX2015B088)资助。

原稿收到日期为2014年12月19日，修改稿收到日期为2015年3月25日。