发动机油底壳的低噪声结构设计

2020-04-24陈云李晨鑫

科技风 2020年12期

陈云　李晨鑫

摘要：发动机油底壳噪声大约占总噪声的20%左右，同时也是发动机最大的表面噪声来源，因此，降低油底壳噪声对降低发动整体噪声有非常重要的作用。基于此，本文以YL112材料制作的发动机油底壳为例，立足CAE模态分析，提出了一种降低发动机油底壳噪声的结构设计思路，并验证了此种设计思路的可行性。希望对我国发动机事业的发展有一定参考及借鉴。

关键词：发动机;底壳;低噪声;CAE

随着我国科技技术的不断发展，CAE技术被广泛应用在发动机油底壳开发中，尤其是在零部件设计阶段，通过CAE技术可以对零部件的噪声、振动等特性进行全面系统的分析，从而在保证设计效果的基础上，缩短产品开发设计周期，提升整体运行效果。基于此，开展发动机油底壳的低噪声结构设计的研究就显得尤为重要。

1 基于CAE的发动机油底壳模态分析

在对发动机油底壳进行CAE模态分析过程中，网格数量比较大，计算工作量比较大，且对设计精度很高的要求。底壳在发动机运行中，主要承受着动态荷载，静态荷载应力只占一小部分。因此，进一步细化分析，从而得到更加具有规则性的模型。基于此，本文以YL112发动机油底壳为例，通过10节点四面体单元将发动机油底壳CAE模型细致分为79009个单元。YL112发动机油底壳的密度为2.77e-9t/mm3，杨氏模量为68000MPa，泊松比为0.31[1]。

发动机油底壳是一种具有连续质量结构，因此，通过CAE技术可以离散的分为有限个组成模型，可得到如下CAE模型的振动微分方程：

此公式中M表示CAE模型的总体质量矩阵，K表示CAE模型中的总体刚度矩阵，x表示节点的实际位移向量，C表示阻尼矩阵，F（t）表示激振力向量。在进行发动机油底壳CAE模态分析中，为便于计算，通常只进行计算模态分析，因此，阻尼对频率的造成的影响可忽略不计，也就是在CAE模态分析中，设激振向量F（t）=0，因此，公式（1）可简化为公式（2）：

通过专业的CAE分析软件，可对公式（2）求解得到约束模态，就可以计算出前10阶模态频率及振型。

2 发动机油底壳的低噪声结构设计思路

众所周知，声音是由振动形成，发动机油底壳在运行中，振动是形成噪声的主要原因，要想降低噪声就必须先减少振动，通过公式（2）可知，要想降低发动机油底壳的噪声，就必须合理提升发动机油底壳结构的刚度和固有频率。因为，刚度越大，保持激励力不变，则发动机油底壳在运行中形成的振幅就越小。随着频率的提升，就可以有效避开低频振动段，从而达到降噪的目的。

由于发动机油底壳运行中主要承受的是动态荷载，静态应力非常小，因此，在降噪结构设计中，综合考虑多方面因素，并通过多次CAE计算分析，提出降噪设计思路：提升发动机油底侧面加强筋的刚度，过去发动机油底壳多为平板结构，刚度也比较低，通过合理设置加强筋，可有效提升刚度。同时调整发动机油底壳地面滚压筋方向及位置，在承受荷载比较小的位置，降低部件重量，并合理调整发动机缸体的约束点。

发动机油底壳降噪结构优化设计之后，重新进行CAE模态分析，得到设计前后模态对比分析图，如下图所示：

从上图中可以看出，结构优化之后，发动机油底壳在频率上得到了有效提升，尤其是前3阶段的提升效果最为明显，表明此种设计方法，对降低发动机油底壳运行噪声起到了良好作用[2]。

3 设计思路的可行性分析

为进一步严重此种结构设计思路的可行性，对重新设计后发动机油底壳进行振动及噪声测试，主要测试内容包括以下几点：

第一，在怠速工况下，对发动机油底壳进行1m声压级噪声测试。

第二，在1000r/min～4000r/min全负荷状态下，对发动机油底壳进气侧进行1m声压级噪声测试。

第三，由于发动机油底壳在运行中，距离地面比较近，适合开展噪声进场分析，但为更好的验证降噪效果，需要进行振动测试，通过振动频谱来分析具体的优化效果。

验证结果表明：发动机油底壳在怠速工况下，重新设计后，每个面的噪声都得到不同程度的降低，其中正面和排气侧降噪幅度最大，分别降低了1.6dB（A）和1.1dB（A）[3]。从1m声压级角度来看，噪声降低了1.1dB（A），有效降低了发动机油底壳对整机的噪声得到有效改造。

4 结语

综上所述，本文结合理论实践，分析了发动机油底壳的低噪声结构设计，分析结构表明，通过提升发动机油底侧面加强筋的刚度，合理设置加强筋，可有效提升刚度。同时调整发动机油底壳地面滚压筋方向及位置，在承受荷载比较小的位置，降低部件重量，降噪效果明显，值得大力推广应用。

参考文献：

[1]史晓艳.简述汽车发动机油底壳自动化打压检测系统工作原理[J].军民两用技术与产品，2018（20）：49.