摩托车发动机异响噪声识别与优化

李 连

（重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122）

摩托车发动机异响噪声识别与优化

李 连

（重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122）

针对某摩托车发动机在怠速工况下噪声较大且存在异响噪声的现象，采用主观分析、计算机仿真分析和试验测试分析的综合分析方法，对异响噪声源进行定位。综合分析结果显示，该异响噪声来自于曲轴箱附近，且构成该异响噪声的频率主要来自于1600Hz～2400Hz左右。根据噪声源识别结果，对发动机进行结构优化，优化结果使得发动机整机噪声降低1.6dB(A)，且异响噪声被消除。

摩托车发动机；异响噪声；识别；优化

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-76-03

前言

噪声问题是当今世界的热议话题之一。摩托车噪声作为环境噪声的重要来源之一，其影响不容忽视。降低摩托车噪声既是我国相关法律法规的要求，也是企业研发生产能力的集中体现。发动机异响是发动机中比较常见的问题，是发动机非正常工作的一种表现[1-2]。异响噪声问题一方面大大降低了发动机的工作性能，另一方面严重影响驾乘人员的主观感受。因此，降低摩托车发动机噪声对提高发动机工作性能和驾驶舒适性都有着至关重要的作用。

1、问题描述与分析路线

图1 技术路线

本文以一摩托车用单缸发动机为研究对象，旨在识别并消除其工作过程中出现的异响噪声。该发动机在怠速工作过程中出现“哐哐哐”的异响噪声，为消除该异响噪声，本文制定如图1所示的技术路线。根据异响噪声的特点，在实际研究过程中，首先对该异响噪声进行主观分析与评价，进而根据分析结果，采用仿真和试验综合分析的方法对异响噪声源进行定位，最后根据噪声源定位结果对异响噪声进行优化。

2、主观分析

主观分析与试验分析均在半消声室中进行。为研究方便，将发动机安装于台架之上，并且定义如图2所示的发动机整机坐标系。整机坐标系Y轴沿活塞运动方向，以自然向上方向为正方向；整机坐标系Z轴与曲轴旋转轴平行，以图示左侧为正方向；整机坐标系X轴正方向通过右手定则确定。

图2 发动机整机模型及坐标系

将发动机在怠速空载下工况下运行，并保持该状态约5min中左右，以使发动机得到充分热机。接着，对热机后的发动机噪声进行听觉上的分析，结果发现：该发动机机体表面有比较明显的高频高幅振动，且从曲轴箱内辐射出非常明显的异响噪声，该异响噪声在曲轴箱右侧的声响度高于左侧。由以往研究可知，引起发动机异响的最主要的原因有两个：其一是运动部件设计不合理，以致其运动过程中无法对自身进行解耦产生共振；其二可能是运动部件产生的激励对其他部件引起共振，这也是在设计阶段较难控制的问题之一[3-4]。由此，本文根据该发动机在运行过程中的特性综合分析，从主观上猜想引起其异响的原因可能是曲轴运动的某一阶激励引起曲轴箱体的共振。为此，本文继续开展以下工作，以对该猜想进行验证。

3、仿真分析

为验证该异响是否由发动机箱体共振引起，本文首先对发动机壳体进行模态分析。综合考虑建模的难度及计算的效率和精度，本文对发动机机体进行有限元离散时采用单元基本尺寸为3mm的四面体单元，对曲轴进行有限元离散时采用单元基本尺寸为2mm的六面体单元。

表1 自由模态分析仿真结果与试验结果对比

自由模态分析的目的主要是为了校核有限元离散的准确性。2500Hz以内的自由模态的仿真计算结果与试验结果的模态频率对比如表1所示，从表中可以看出，二者相差较小，可认为该有限元模型可用于后期计算。

为更准确地模拟发动机运行时的整机变形情况，本文选择对发动机机体和曲轴进行约束模态分析。在进行约束模态分析时，根据发动机在台架上的安装情况，将螺钉处进行全约束，以使仿真结果更加接近实际情况。大量文献显示，发动机所辐射的噪声注意集中在低频段，高频段对整机噪声的贡献较小[5-7]。因此，本文选择并计算0～3000 Hz以内的发动机机体和曲轴的约束模态，该频率范围包含怠速工况下曲轴以25Hz为基频的120阶激励。

表2 机体和曲轴约束模态的模态频率分布

从上表可以看出，发动机机体在约束状态下模态比较集中，这些模态很容易被外部激励力激发，从而引起共振。将机体的约束模态频率与曲轴的约束模态频率进行对比可以发现，机体的第8阶和第11阶模特频率与曲轴的第4阶和第5阶模态频率非常接近。机体的第8阶和第11阶模特如图3和图4所示，其模态主要表现在曲轴箱体上的振动；曲轴的第4阶和第5阶模态如图5和图6所示，其分别为曲轴的横向弯曲模态和纵向弯曲模态。因此，当曲轴运动时，其第4阶和第5阶模态很可能会激起机体的第8阶和第11阶模特，从而产生共振，形成敲击，辐射出噪声。

图3 机体第8阶模态

图4 机体第11阶模态

图5 曲轴第4阶模态

图6 曲轴第5阶模态

4、试验分析

仿真分析从理论上验证了主观分析中猜想的正确性。为进一步验证仿真分析的结论，本文进一步对该发动机怠速工况下噪声频谱特性进行分析。频谱分析过程中，在曲轴箱左右两侧（左侧为Z轴负方向，右侧为Z轴正方向）分别布置一个声传感器，距离曲轴箱体表面5cm，噪声测试方法参考GB/T 1859-2000《往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法》。

通过测试，得到20s稳态测试中发动机左右两侧声压级如图7和图8所示，从左右两侧声压级频谱图上可以看出，左侧高声压级主要表现在低频段，随着频率地升高，声压级逐渐降低，该特性符合辐射噪声的低频特性；但在右侧声压级频谱图中，1600Hz～2400Hz表现出了高频特性，该现象属于非正常现象，并且高声压级频率段包含仿真分析中的共振模态频率。结合主观分析结果，定位异响噪声源为右侧曲轴箱体。

图7 左侧声压级频谱

图8 右侧声压级频谱

5、噪声优化

根据噪声源定位结果，选择右侧曲轴箱体为优化对象。右侧曲轴箱体主要包括轴承安装部分和曲轴箱盖。综合考虑优化工作的有效性、可行性和成本的高低，本文选择在原机基础上添加一颗合箱螺钉，并在右侧曲轴箱体内增加一处加强筋。

图7 发动机右侧噪声频谱

将优化后的模型更换至原机，并对该发动机噪声进行评价。主观分析发现，发动机异响消除噪声且整机场外噪声有所改善。进一步对优化后的发动机进行声压级测试和噪声频谱测试，测试过程中仅选择发动机右侧进行测试，测试位置与原机测试位置相同。测试结果显示，发动机总声压级从79.8dB(A)降低到78.2dB(A)，降低幅度为1.6dB(A)。右侧噪声频谱如图7所示，从图中可以看出，优化后的发动机噪声较原发动机噪声有明显改善，且在1600Hz～2400Hz内的高噪声现象基本消失。

6、结论

针对单缸汽油机异响噪声现象，综合运用主观分析方法、仿真分析方法和试验测试方法对异响噪声源进行定位。定位结果显示，右侧曲轴箱为异响噪声源。根据定位结果，以提高整机刚度为目的，对噪声源进行结构优化。将优化后的部件更换至原机并进行噪声试验。试验结果显示，整机噪声得到改善，异响噪声消除，达到了本研究工作的目的。

[1] 王中方.摩托车发动机异响特征提取研究[D].重庆：重庆大学,2010：1-4.

[2] 高淑斌.摩托车气缸异响原因分析及控制[J].2000(4).

[3] 时超.基于BP神经网络的发动机异响模式识别[D].重庆：重庆大学,2011：5-6.

[4] J. Kimura, A. Kasai, S Saitoh, et al. Analysis of Ticking Noise from Cam Bearing of Diesel Engine[J]. SAE, 2012.

[5] J. Stout. Engine Radiated Noise Prediction Modeling Using Noise Source Decomposition and Regression Analysis[J]. SAE Technical Paper, 2005.

[6] 郝志勇, 韩军. 车用发动机主要噪声源的声强测试方法研究[J].内燃机工程, 2004, 25(2).

[7] Vamsi. Krishna B., K. Dora, M. Kannan, et al. Modeling and Predic -tion of Engine Radiated-Noise of a Motorcycle[J]. SAE Technical Paper, 2006.

Motorcycle engine louder noise identification and optimization

Li Lian
( Chongqing vehicle test institute co., LTD., Chongqing 401122 )

The research is developed for the high noise and abnormal noise in a single-cylinder motorcycle engine under idle condition. In this research, the comprehensive analysis method of subjective analysis, computer aided analysis and experiment analysis is used. The results of comprehensive method show that abnormal noise is radiated around the crankcase. Afterwards, the engine structure is optimized based on the analysis results. Later on, the bench test shows that overall engine noise is reduced by 1.6dB(A) and the abnormal noise is eliminated through the optimization.

motorcycle engine; abnormal noise; identify; optimization

U464

A

1671-7988 (2017)05-76-03

李连，就职于重庆车辆检测研究院有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.025