发动机油底壳的模态试验及优化设计

周斌

发动机油底壳的模态试验及优化设计

周斌

（西昌学院汽车与电子工程学院，四川西昌615013）

以某轿车发动机油底壳为对象，通过混合建模方式（即简易力学模型与模态试验结合）对油底壳的动态特性进行研究，得到油底壳的模态频率和振型。根据分析结果提出对油底壳的结构优化措施，并对改进后的油底壳进行模态分析和声学验证，结果表明：改进后的油底壳由于增加了刚度，降低了模态频率密度，减少了发生共振的机会，油底壳辐射噪声对整机噪声贡献率明显降低。

油底壳；振动；噪声；模态试验；声学验证

0 引言

汽车发动机的噪声主要包括进排气噪声、风扇噪声、燃烧噪声、机械噪声等，随着发动机向高速、轻型、大功率化发展，人们对发动机的振动噪声更加关注。油底壳作为发动机的薄壁件，是发动机工作时振动辐射噪声的主要来源之一，占总噪声辐射的20%左右[1]。因此，对油底壳结构进行优化设计是降低发动机噪声的重要措施。本文利用对某款发动机油底壳的混合建模方式（即简易力学模型与模态试验结合），得到其各阶的传递函数和振动模态，确定其薄弱环节，对油底壳的结构进行优化设计，并通过试验验证改进结构的有效性。

1 油底壳的模态试验

1.1 试验方法

试验采用捶击法模态试验方法，并结合系统软件进行模态分析，模态试验系统连接如图1所示。

图1 模态试验测试系统

为了能够真实反映油底壳振动的实际情况，充分显示结构较高阶模态振型，在油底壳上共布置了75个测点，如图2所示。

图2 油底壳测点布置

为了能够得到与发动机实际工作相吻合的激振频率，本试验采用在整车上测得的多个激励点激励所得的若干列频响函数来进行参数识别。选用Ploymax模态识别模块，依据稳态图进行模态频率和模态阻尼的识别(图3)。选用最小二乘复频域方法进行模态振型值的计算。再利用模态置信因子(MAC)和模态参预因子对识别出的模态参数进行检验[2,3]。

图3 PolyMax法精确提取模态参数

1.2 油底壳模态试验结果分析

结构特性主要指振型、固有频率和传递函数。对于一个确定的结构，在确定的激振点和响应点之间的传递函数是一个定值。发动机油底壳的刚度较差，通过其辐射的噪声占据总辐射噪声的20%左右。因此，测试油底壳不同部位的传递函数，合理进行结构改进，对降低整车的辐射噪声显得特别重要。

本文采用加速度传感器测试不同测试点的传递函数，选取具有代表性的测点进行研究，找出油底壳的薄弱部位，进行结构改进。图4～6是具有代表性的59测点、22测点和31测点的各阶传递函数及模态拟合，图7～10为油底壳的一阶到四阶振动模态。

图4 第59点各阶的传递函数bode图及模态拟合

图5 第22点各阶的传递函数bode图及模态拟合

图6 第31点各阶的传递函数bode图及模态拟合

图7 一阶振动模态

图8 二阶振动模态

图9 三阶振动模态

图10 四阶振动模态

由传递函数和振动模态图可以看出，在59测点位置油底壳的振动最为剧烈，各测点传递函数最大值均出现在1 200 Hz附近，且由于油底壳的壁厚比较薄，模态密度比较大[4]。

2 油底壳的结构改进及声学验证

2.1 油底壳的结构改进

根据以上分析，提出在油底壳相应部位增加加强筋的方法来改善油底壳的刚度，图11为原油底壳的结构图，图12为改进后油底壳的结构图，加强筋高度4 mm，宽度15 mm。

图11 原油底壳

图12 改进后油底壳

同样对改进后的油底壳进行模态试验与分析，得到改进前后的油底壳模态参数对比如表1所示。改进后的油底壳和改进前的油底壳模态对比发现，模态频率有了较明显的提高，模态密度变小，说明在某个频率范围内的模态频率数量减少，发生共振的机会减小，对限制振动和减小辐射噪声具有一定的作用。

表1 油底壳改进前后模态参数对比

2.2 油底壳改进后的声学验证

为了验证改进后的油底壳对减少辐射噪声的作用，本试验采用国际通用的窗口法，排除其他部件对油底壳的影响，直接测量油底壳被发动机激励后所发出的噪声水平及其所占整机噪声的贡献率[5]。图13为改进前油底壳的噪声水平及占整机噪声的贡献率，图14为改进后油底壳的噪声水平及占整机噪声的贡献率，对比发现改进后油底壳辐射噪声明显降低，对发动机噪声的贡献率由8.3%降低到了5.3%。

图13 改进前油底壳噪声贡献

图14 改进后油底壳噪声贡献

3 结语

发动机的众多零件中，油底壳是一个大面积的薄壁零件，刚度较低，在发动机的激励作用下会产生较大的振动，对发动机的噪声贡献率较大。合理设计油底壳的结构，可以有效降低油底壳的振动和辐射噪声。本文通过油底壳的混合建模方式，对油底壳进行的模态试验和分析，根据试验结果，找出油底壳的薄弱环节，提出油底壳的结构改进措施，并对改进前后的油底壳进行模态试验对比和声学试验对比，验证了改进油底壳的降噪减振作用。

[1]韩松涛.内燃机的振动噪声控制及现代设计方法学研究[D].天津：天津大学，2002.

[2]袄德·海伦.模态分析理论与试验[M].白化同,郭继忠,等译.北京：北京理工大学出版社，2001.

[3]袁卫平.内燃机噪声测量不确定度[J].内燃机工程，2003(1):105-108.

[4]CATANIA A.E.A，AMBROSIO S.d，GUENNA G.M.et al.New Modeling for Reliable Evaluation of Parameter Variability Effects on Vehicle Fuel Consumption[C].SAE Paper，2007(1):0328.

[5]SHANGGUAN W-B,LU Z-H.Experimental Study and Simulation of a Hydraulic Engine Mount With Fully Coupled Fluid Structure Interaction Finite Clement Analysis Model.Comput Struct 2004,82，(22):1751-1771.

Modal Test and Optimization Design of Engine Oil Pan

ZHOU Bin
(School of Automotive and Electronic,Xichang College，Xichang,Sichuan 615013,China)

In this paper,the oil pan of engine is taken an example to study,analyses the dynamic characteristics by the method of hybrid modeling,gaining the modal frequency and vibration mode of the oil pan.According to the results,measures to improve the structure of the oil pan are put forward,and the modal analysis and acoustic test have been made.The results show that,by increasing the stiffness of the oil pan that makes modal frequency density decreases,it reduces the possibility of resonance occurring,oil pan radiation noise contribution rate decreased to engine noise.

oil pan;vibration;noise;modal test;acoustic test

TK401；U464

A

1673-1891（2016）01-0034-03

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.01.010

2015-11-12

周斌（1981—），男，四川西昌人，讲师，硕士，研究方向：汽车发动机。