基于GT-Power优化排气系统阶次轰鸣噪声

2018-01-24林胜段龙杨翁建生吴赵生

汽车实用技术 2017年24期

林胜，段龙杨，翁建生,2，吴赵生

（1.江铃汽车股份有限公司产品开发技术中心NVH实验室，江西南昌 330000；2.南京航空航天大学，江苏南京 210016）

前沿

随着汽车工业的高速发展，人们对汽车噪声要求越来越严格。汽车排气噪声是汽车的主要噪声源，采用结构合理的排气消声器是降低排气噪声最有效的方法。由于排气消声器声学性能与发动机的工作状态有密切的关系，传统的排气系统传递损失不能完全满足排气NVH设计要求[1]。随着数值模拟技术的高速发展，一维GT-Power仿真软件为消声器NVH性能设计的提供了支持。实践证明，这种一维模型在计算排气尾管噪声特别是低于1000 Hz的中低频噪声时有相当高的精确度[2]。

本文分析了某款车内低速轰鸣噪音的来源，对排气尾管轰鸣的产生机理进行了探讨，并且通过模拟分析与整车尾管噪声试验相结合的方法，消除了排气尾管产生的轰鸣，提升了车内NVH的舒适性。

1 问题描述

进行整车噪声评价试验时，车辆在3档全油门加速，转速在1500 rpm附近时，车内后排位置有较明显的轰鸣声。对排气系统基础状态样件进行排查测试，从排气尾管噪声的阶次切片图1中可以看出2阶在1500 rpm附近存在峰值。通过噪声回放及增加绝对消声器后对比，断定车内轰鸣的主要贡献来自排气系统尾管噪声。

图1 实测排气系统基础状态OA及2阶数据

2 轰鸣产生机理

排气尾管噪声主要包括空气噪声，冲击噪声，辐射噪声以及气流噪声等。本文的排气尾管轰鸣主要是基频空气噪声，发动机在工作时候产生压力波，这种压力波在排气管道中传播而形成基频空气噪声。基频空气噪声的频率可由下面公式计算[3]：

其中，z=内燃机气缸数；n=内燃机转速；t=行程系数。

某车型排气系统基础状态在转速1500rpm附近存在明显的轰鸣声，故该基频空气噪声的频率为：

3 分析模型建立

3.1 发动机模型建立

GT-power 所应用的是一维流体假设的动力学模型，它综合了发动机性能的分析模块，并几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型，可以较完整地模拟发动机不同工况的性能变化[4]。

图2 某车型发动机GT模型

建立发动机的仿真模型，根据模型计算得到外特性不同转速下发动机的功率、转矩和燃油消耗率，并与台架试验的结果进行比较。发动机功率、转矩和燃油消耗率数据与实验测量数据误差控制在 5%以内，说明所建立的模型能够真实地反映发动机的工作工程[5]。

图2为某车型发动机GT-Power模型。

3.2 发动机模型对标

进行优化分析前需要利用 GT-Power软件进行整机外特性进行对标，确保模型的准确性。GT-Power扭矩曲线、功率曲线、涡后温度、涡后压力与实验结果基本一致(图3-6)，在低、高速段曲线捏合较好，在中转速（2500-3000rpm）功率和扭矩略低于实验值，但是误差值均在 5%以内，该发动机模型达到较高的计算精度。

图3 扭矩曲线对比

图4 功率曲线对比

图5 涡后温度曲线对比

图6 涡后压力曲线对比

3.3 排气系统模型建立

根据发动机排量，对主、副消声器的消声容积、进出口管径尺寸等进行计算，完成对排气消声器的初步设计。排气系统后消是阻、抗式组合复杂消声器。

对照消声器的三维Catia模型，利用GT-SUIT进行消声器三维建模，逐步建立消声器的外部轮廓、消声器的隔板、隔板的穿孔数目、消声器内部管道及小孔、套筒等。图7为基础状态的排气系统后消模型。图8为排气系统GT模型。

图7 排气系统后消基础模型

图8 排气系统GT模型

3.4 排气基础状态模型对标

图9 实测与仿真2阶噪声对比

图10 实测与仿真4阶噪声对比

图11 实测与仿真6阶噪声对比

为了获得高精度的排气系统模型，必须对排气系统的管壁温度、内部压力，外部环境温度、压力，高频管吸音棉等参数进行合理的设计。并把排气系统模型与发动机模型、进气系统模型一起搭建形成 GT-power系统模型，分析排气系统的阶次噪声，对标实测与GT仿真结果，以获得高精度的仿真分析模型。其中由于 GT-power属于一维分析软件，未考虑气流对总声压值得影响，需要加入一个经验值进行修正[5]。在从2、4、6阶次噪声实测与仿真数据对比来看(图9-11)，总体趋势一致性较好，存在的误差在5%范围内。

4 排气系统优化

排气系统基础状态样件，在中心转速1500rpm附近存在2阶噪声大问题，未满足设计目标，需要进行优化。针对降低50Hz附近噪声，主要设计思路为去掉原来后消一块隔板，利用弯管增加出气管的长度，利于降低低频噪声，同时增加腔体的吸音棉的数量，保证高频的效果，如表1所示。

对比两种状态后消声器的传递损失(图12)，优化后的方案在30-80Hz比基础状态优化6-10dB(A)。传递损失作为一个参考，毕竟不能直观的表达阶次噪声的问题，需要对该优化方案进行 GT-Power对比验证。从阶次噪声来看(图 13)，优化后的排气系统相比原来基础样件在 2阶 1500rpm优化5dB(A)，4/6阶不恶化（图14-15），满足了目标曲线。