汽車發動機油底殼的振動噪聲性能分析與優化
加入技術交流群
汽車發動機噪聲輻射主要來源于“薄壁結構”，例如油底殼、閥蓋、正時齒輪罩。由于油底殼承受著相對居高的發動機缸體的激勵，所以在發動機結構噪聲中油底殼的貢獻所占比例較明顯。本文描述了在汽車發動機油底殼開發設計前期、實物樣件試制之前，用CAE 分析手段對油底殼振動噪聲性能進行分析與預測，并指導油底殼設計方案改進與優化，有效地降低產品開發風險，減少樣件試制數量與輪次而減少試制費用。
在理論上,只要激勵頻率范圍從零擴展到無限大,那么系統的動態特性也就完全確定，本文在沒有發動機整機的三維數據但具備慣性參數時施加多工況下的虛擬力載荷作為輸入,用頻響法有效地模擬與分析發動機油底殼的動態響應。用邊界元方法進行自由場中油底殼的輻射噪聲分析，在油底殼頂部生成剛性面以防止油底殼內表面振動引起的噪聲干擾。隔聲分析中利用聲構耦合方法，聲源類型為模擬擴散場的分布平面波。油底殼的聲音品質特性首先通過場點的聲音回放由人的主觀感受來分析和評價，場點的模擬聲音信號通過發動機階次跟蹤方法獲得，得到的聲音品質主觀評價結果可以應用于后續的成對比較法中。
作為優化設計結果，本文提供了同等材料的改進油底殼結構，從振動級、輻射聲、隔聲、聲音品質的計算分析全面比較優化設計前、后油底殼的振動噪聲性能。
1 原油底殼輻射噪聲的仿真
通過試驗測試得到發動機整機的慣性參數,由此換算出油底殼之外部件的慣性參數并生成相應的質量單元, 用模態法進行多工況下的動力響應分析，，得到各轉速下油底殼的振動響應,用階次跟蹤分析油底殼的輻射噪聲。
1.1 采用發動機整機慣性參數的模型建立
利用試驗測得的發動機整機的慣性參數建立整機有限元模型,如圖1 所示。
圖1 發動機整機有限元模型
發動機整機模態頻率計算的理論背景是多自由度系統的自由振動方程,其數學模型如下式（1）所示。
為對應于固有頻率fi 的主振型陣，Ki 為第i 階主剛度，Mi 為第i 階主質量。用Virtual Lab Noise&Vibration 模塊進行發動機整機的模態計算，模態計算分析上限截止頻率是后續的動態響應分析上限截止頻率的至少兩倍以上。為了與改進后的油底殼結構相比較，暫不妨列出前十階模態計算結果，如表1 所示，相關的油底殼各部位的定義如圖2所示。
圖2 油底殼各部位的定義
表1 原油底殼發動機整機前十階模態計算結果
假設發動機整機受簡諧激勵，相應的動力學方程如式(4)所示。
M x″+ C x′+ K x = F(t) (4)
上式中M、C、K 分別為質量陣、阻尼陣、剛度陣；F(t)為力載荷；x″、x′、x 分別為加速度向量、速度向量、位移向量。
通過Virtual Lab 軟件用模態法進行多工況下的發動機整機動態響應計算。以結構振動加速度作為油底殼的振動評價參數，下面列出的圖3 至圖8 分別為某一轉速下油底殼左側、右側、前側、前底部、后底部、斜坡部位某點的振動加速度級頻譜云圖。
圖3 原油底殼左側一點的法向振動加速度級
圖4 原油底殼右側一點的法向振動加速度級
圖8 原油底殼斜坡部位法向振動加速度級
評論