某汽油機正時罩蓋NVH優(yōu)化及分析

趙衛(wèi)平　張衛(wèi)國　吳　超　于　超　張　明　魏永強　周　碩（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

某汽油機正時罩蓋NVH優(yōu)化及分析

趙衛(wèi)平1，2張衛(wèi)國1，2吳超1，2于超1，2張明1，2魏永強1，2周碩1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

通過有限元法對發(fā)動機用正時罩蓋的動態(tài)特性進行分析，獲得了正時罩蓋的模態(tài)頻率及振型，根據分析結果制作了多種方案對正時罩蓋的結構進行改進，并對改進后的正時罩蓋進行了模態(tài)分析，得出最終的最優(yōu)方案，模態(tài)分析結果表明：改進后的正時罩蓋第一階模態(tài)頻率提高了51.5%，且在3000Hz內的階數減少了2階。通過試驗測試對比表明：在正時罩蓋優(yōu)化后，發(fā)動機整機在1m處聲壓級均值由原來的96.3dB（A）減小到95.3dB（A），降低了1dB（A），降噪效果明顯。

正時罩蓋NVH有限元分析

引言

隨著汽車普及與更新換代的加快，消費者對整車舒適性要求越來越高，發(fā)動機NVH作為評價整車性能的重要指標，越來越被人重視。如何解決發(fā)動機NVH高的問題，從而改善整車的舒適性，成為各大主機廠面臨的越來越艱巨的難題。正時罩蓋具有薄壁和表面平而大的特點，是發(fā)動機主要的表面輻射噪聲源之一［1-2］。因此，提高結構剛度能有效降低這些薄壁件的輻射噪聲［3］，對改善發(fā)動機的NVH有很大作用［4］。本文結合一款直列六缸汽油發(fā)動機，重點分析了正時罩蓋結構形式對發(fā)動機NVH的影響及正時罩蓋優(yōu)化后的效果。

1　正時罩蓋模態(tài)分析

1.1正時罩蓋簡介

本文涉及的正時罩蓋安裝在一款縱置直列六缸汽油機上，正時罩蓋（圖1及圖2所示）采用整體式結構，此發(fā)動機為后端正時，因此正時罩蓋外側與變速器殼體連接，正時罩蓋下端連接油底殼，正時罩蓋內側下部連接缸體，中部連接缸蓋，上部連接缸蓋罩，模態(tài)計算采用四面體二次單元進行建模。

圖1　正時罩蓋外側

圖2　正時罩蓋內側

1.2分析輸入（如表1所示）

表1　發(fā)動機正時罩蓋分析輸入

1.3邊界條件

約束模態(tài)：計算的邊界條件的施加與工程實際是否吻合，直接影響到分析結果的合理性和正確性。此次施加的邊界條件如下：

1）正時罩蓋、缸蓋罩與缸體，缸蓋相連接的螺栓孔、螺栓過孔施加全約束；

2）正時罩蓋與缸蓋罩相連接的位置使用RBE2連接；

3）變速器連接螺栓過孔施加全約束；

4）正時罩蓋與油底殼相連接的螺栓約束釋放了曲軸軸向的約束。

1.4分析結果

用hypermesh對FEA模型做前處理，由abaqus計算得到正時罩蓋的約束模態(tài)，提取3 000 Hz范圍內的約束模態(tài)。其固有頻率如圖3所示。典型的陣型如圖4~圖7所示。其中顏色越深，變形越大。

圖3　正時罩蓋固有頻率

圖4　一階約束模態(tài)1034.5Hz

圖5　二階約束模態(tài)1298.6Hz

圖6　三階約束模態(tài)1 830 Hz

圖7　四階約束模態(tài)1 980 Hz

由以上計算結果可知：正時罩蓋的中上部對應的安裝VVL處的正時空腔，是正時罩蓋最為的薄弱區(qū)域，需要優(yōu)化正時罩蓋中上部的結構形式，提高此處的剛度。

2　正時罩蓋結構優(yōu)化

2.1優(yōu)化加強筋方案

根據以上結果可知，正時罩蓋的中上部為正時罩蓋的薄弱區(qū)域，對其進行加筋優(yōu)化。具體加筋優(yōu)化方案如表2所示。

表2　正時罩蓋加筋優(yōu)化方案幾何模型對比

2.2優(yōu)化方案分析結果

優(yōu)化前后的方案模態(tài)計算結果如表3及圖8所示，對比如圖9～圖12所示。

表3　正時罩蓋固有頻率對比

圖8　改進前后的正時罩蓋固有頻率對比圖

圖9　1階約束模態(tài)1 567 Hz

圖10　3階約束模態(tài)2 356 Hz

圖11　5階約束模態(tài)2 695 Hz

圖12　6階約束模態(tài)2 917 Hz

通過優(yōu)化正時罩蓋中上部的加強筋結構，使正時罩蓋中上部的模態(tài)頻率有了很大的提高，一階模態(tài)頻率提高達50%，效果顯著，在3 000 Hz內模態(tài)階數有很大程度的減少，由原來的9階模態(tài)減少為7階，因此很好地抑制了正時罩蓋的輻射噪聲。

3　驗證試驗結果

3.1測量參數及位置（如圖13所示）

圖13　正時罩蓋測點布置

3.2試驗項目與工況

1）在怠速工況下對整機進行1 m聲壓級的噪聲測試［5］；

2）在1 000 r/min～5 500 r/min全負荷加速工況下對正時罩蓋進行1 m聲壓級的噪聲測試。

3.3試驗設備（如表4所示）

表4　測試設備

3.4正時罩蓋的怠速測試結果對比（如圖14所示）和全負荷加速過程對比（如圖15、圖16所示）

圖14　各面1 m聲壓級噪聲對比

圖15　修改前全負荷加速噪聲頻譜

圖16　修改后全負荷加速噪聲頻譜

由以上結果可知：

1）優(yōu)化后的正時罩蓋在怠速和加速時的振動比原狀態(tài)正時罩蓋的振動明顯降低；

2）修改前正時罩蓋在1 020 Hz左右可能出現共振，修改后正時罩蓋在5 500 Hz以內無明顯共振；

3）從固有頻率的對比來看，正時罩蓋的優(yōu)化效果對降低發(fā)動機其它面的噪聲也起到良好的效果。

4　結論

通過對正時罩蓋進行模態(tài)分析和試驗驗證，得出以下結果：

1）通過對正時罩蓋的結構的優(yōu)化，使正時罩蓋的模態(tài)頻率由9階降為7階，第一階模態(tài)頻率提高了51.5%，從而很好地降低了正時罩蓋的輻射噪聲；

2）正時罩蓋的輻射噪聲，集中在正時罩蓋中上部的凹形空腔，因此在設計中盡量避免較大空腔的出現，此優(yōu)化方法對其它腔體薄壁類部件的噪聲優(yōu)化提供了很好的參考；

3）通過模態(tài)計算，能準確地找到發(fā)動機零部件的薄弱位置，使設計者對薄弱位置進行優(yōu)化，大大縮短了零部件的開發(fā)周期，提高了效率；

4）由試驗驗證結果可知，優(yōu)化后的正時罩蓋，整機各面的1 m聲壓級均值由原來的96.3 dB（A）減小到95.3 dB（A），降低了1 dB（A），降噪效果明顯。

1舒歌群，馬維忍，梁興雨，等.柴油機薄壁件表面輻射噪聲的研究［J］.內燃機工程，2009，30（2）：25-28，33

2張煥宇，郝志勇，陳淵博.飛輪殼NVH性能研究與改進［J］.汽車工程，2011（5）:71-73

3姜紹忠，閆文兵，陳越，等.柴油機表面輻射噪聲控制研究［J］.機械與電子，2011（5）：71-73

4錢人一.汽車發(fā)動機噪聲控制［M］.上海：同濟大學出版社，1997

5張宗成，楊景玲，張燕，等.發(fā)動機油底殼的噪聲分析及結構優(yōu)化［J］.噪聲與振動控制，2013，33（6）：115-119

Optimizing and Analysis on NVH Performance for Timing Cover of a Gasoline Engine

Zhao Weiping1，2，Zhang Weiguo1，2，Wu Chao1，2，Yu Chao1，2，Zhang Ming1，2，Wei Yongqiang1，2，Zhou Shuo1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology＆Research Center

This paper introduces the dynamic characteristics of timing cover used on gasoline engine by the finite element method（FEM），gaining the modal frequency and vibration mode of the timing cover. According to these previous results，different schemes to modify the structure of timing cover were designed and calculated.The new results about modal analysis can be attained again，finally the optimal scheme was obtained.The results show that the first order constraint modal frequency is increased by 51.5%，and the order number is reduced by 2 under the range of 3000Hz.Finally，based on above modification，the test results indicate the mean value of 1 m sound pressure level of this engine is reduced from 96.3 dB（A）to 95.3dB（A），and significant benefit is gained from modified structure of timing cover.

Timing cover，NVH，FEM

TK411+.6

A

2095-8234（2015）04-0071-04

2015-03-17）

趙衛(wèi)平（1986-），男，大專，從事汽車發(fā)動機設計。