微型客車(chē)某款發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源識(shí)別與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

趙海軍，梁 凱，李洪亮，宋偉志，張玉書(shū)，周 輝

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院,天津 300222；2.洛陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023；3.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司 汽車(chē)工程研究院，天津 300300)

受實(shí)際需求影響，微型客車(chē)的動(dòng)力呈現(xiàn)大型化的趨勢(shì)，也就是說(shuō)排量為1.25 L以上的微型乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)成為目前主流機(jī)型。目前該車(chē)型有很多廠家生產(chǎn)，主要包括上汽通用五菱宏光、長(zhǎng)安之星、東風(fēng)小康、北汽威旺、凱瑞等，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。同時(shí)，隨著汽車(chē)噪聲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不斷提高和對(duì)車(chē)的聲音品質(zhì)越來(lái)越關(guān)注，對(duì)噪聲控制要求也越來(lái)越嚴(yán)格。整車(chē)噪聲控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，試驗(yàn)是不可回避的[1]。相龍洋等利用頻譜分析、相干分析、階次分析來(lái)識(shí)別變速器的主要噪聲源，發(fā)現(xiàn)變速器的振動(dòng)來(lái)自于檔位齒輪和主減速器的嚙合過(guò)程，變速器噪聲主要來(lái)自于變速器箱體表面某位置的振動(dòng)[2]。同時(shí)，數(shù)值分析工具也是必要的[3-5]。肖旻利用GT-power對(duì)消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，研究了消聲器在排氣系統(tǒng)的位置和不同長(zhǎng)度尾管對(duì)消聲性能的影響[6]。本文作者等曾通過(guò)流場(chǎng)分析軟件CFX和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，半主動(dòng)消聲器能很好地進(jìn)行低頻消聲，而閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，流通面積增大，氣流速度降低，壓力損失能減少約6倍，這為在動(dòng)態(tài)工況下進(jìn)行消聲器性能預(yù)測(cè)和正向設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)[7]。

本文首先采用噪聲分離方法識(shí)別某微型客車(chē)噪聲源，然后運(yùn)用聲壓能量疊加原理計(jì)算噪聲源的大小和所占比例，然后對(duì)常用474發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架聲強(qiáng)測(cè)試，識(shí)別噪聲源位置，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和油底殼的振動(dòng)測(cè)試、消聲器插入損失測(cè)試，對(duì)油底殼和消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的插入損失、車(chē)外加速行駛噪聲進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

1 測(cè)試方法及結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，東風(fēng)小康7座微型客車(chē)車(chē)外加速行駛噪聲基本都在78 dB(A)以上，遠(yuǎn)超過(guò)汽車(chē)國(guó)標(biāo)GB1495-2002車(chē)外加速行駛的噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)74 dB(A)，需要進(jìn)行噪聲控制，噪聲控制前需要進(jìn)行整車(chē)噪聲源識(shí)別、發(fā)動(dòng)機(jī)聲強(qiáng)測(cè)試、懸置和油底殼振動(dòng)測(cè)試、消聲器插入損失測(cè)試。

1.1 分別運(yùn)行法識(shí)別噪聲源

為了找到噪聲源，采用整車(chē)噪聲分別運(yùn)行法分離噪聲源，具體如圖1所示。

從圖中可以看出，原車(chē)狀態(tài)噪聲A減去加裝消聲箱噪聲B等于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲，加裝消聲箱噪聲B減去發(fā)動(dòng)機(jī)斷油倒拖噪聲C等于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油倒拖噪聲C減去離合器斷開(kāi)倒拖噪聲D等于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲，離合器斷開(kāi)倒拖噪聲D減去拆開(kāi)傳動(dòng)軸倒拖噪聲E等于變速器噪聲，拆開(kāi)傳動(dòng)軸倒拖噪聲E包含后橋噪聲、輪胎噪聲、風(fēng)噪聲和背景噪聲。在這里的減去是指對(duì)聲壓能量疊加的處理，聲壓級(jí)的單位dB(A)是對(duì)數(shù)單位，因此聲壓級(jí)的求和、求差不能按一般的自然數(shù)直接進(jìn)行，而應(yīng)按照能量疊加的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算。聲壓本身并不代表能量，但其平方代表了聲能量，因此，聲壓能量疊加公式如式（1）所示[8]。

圖1 采用分別運(yùn)行法分離噪聲源

例如，用原車(chē)狀態(tài)的78.2 dB(A)減去加消聲箱狀態(tài)的74.8 dB(A)，就得到排氣噪聲Lp=10lg(100.1×78.2-100.1×74.8)=76.0 dB(A)。

該微型客車(chē)配備的發(fā)動(dòng)機(jī)是474，排量為1.298 L，最大轉(zhuǎn)矩為102 N?m、額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。車(chē)外行駛噪聲測(cè)試在一個(gè)空曠的平整場(chǎng)地上進(jìn)行，測(cè)得車(chē)外加速噪聲為78 dB，利用分別運(yùn)行法獲得原車(chē)狀態(tài)噪聲、加裝消聲箱噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)斷油倒拖噪聲、離合器斷開(kāi)倒拖噪聲、拆開(kāi)傳動(dòng)軸倒拖噪聲分別為 76.4 dB(A)、75.9 dB(A)、74.7 dB(A)、73.0 dB(A)、72.7 dB(A)，利用式（1）可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲、變速器噪聲為66.8 dB(A)、69.7 dB(A)、69.8 dB(A)、61.2 dB(A)。各個(gè)主要噪聲源所占的比例如圖2所示。

圖2 主要噪聲源所占比例

從圖2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲和后橋噪聲、風(fēng)噪聲、輪胎噪聲及背景噪聲各占21%，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲各占20%，變速器噪聲占18%。

1.2 通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)聲強(qiáng)測(cè)量識(shí)別噪聲源具體部位

現(xiàn)代聲強(qiáng)測(cè)量采用雙傳聲器法，測(cè)量聲場(chǎng)中相鄰相近的兩點(diǎn)處聲壓，用其平均值表示測(cè)量點(diǎn)聲壓，用其差值與雙傳聲器間距之比代表聲場(chǎng)中測(cè)量點(diǎn)的聲壓梯度沿傳聲器連線方向上的分量。聲強(qiáng)定義為垂直于聲傳播方向上的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的聲能，見(jiàn)式（2）[8]。

式中：dS為垂直于r方向的微元面積，dt為時(shí)間增量，dE為dS面上dt時(shí)間間隔內(nèi)通過(guò)的聲能。聲強(qiáng)是一個(gè)矢量，不但反映了聲能量的大小，還反映了聲能量的流向，其指向就是聲傳播的方向。瞬時(shí)聲強(qiáng)等于聲壓與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之積，時(shí)間平均聲強(qiáng)見(jiàn)式（3）。

式中：p(t)為聲壓，v(t)為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。實(shí)際測(cè)試得到的就是時(shí)間平均聲強(qiáng)。

測(cè)試臺(tái)架上474發(fā)動(dòng)機(jī)如圖3所示，通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)左、右、前、頂4個(gè)面的聲強(qiáng)，可以繪制各個(gè)測(cè)量面的等聲強(qiáng)云圖，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪聲源。試驗(yàn)中所用方位均從車(chē)前方正視為準(zhǔn)，即駕駛員側(cè)為右面。整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)完整，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況為正常、滿(mǎn)負(fù)荷。

圖3 測(cè)試臺(tái)架上的474發(fā)動(dòng)機(jī)

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5 500 r/min時(shí)，可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)頂面、右面、左面和前面的測(cè)量云圖。從發(fā)動(dòng)機(jī)頂面云圖4可以看出，進(jìn)氣噪聲最大，該面的最大的噪聲源在空氣濾清器，其次是進(jìn)氣口位置有較大的噪聲，由此可以判斷，氣缸蓋罩也是一個(gè)較大噪聲源。從發(fā)動(dòng)機(jī)右面的測(cè)量云圖5可以看出，該面的最大的噪聲在排氣歧管蓋罩位置。

從發(fā)動(dòng)機(jī)左面的測(cè)量云圖6可以同樣地看出，該面的最大的噪聲在油底殼，其次在氣缸蓋罩有較大的噪聲，因此可以判斷，進(jìn)氣也是一個(gè)較大的噪聲源。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)頂面測(cè)量云圖

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)右面測(cè)量云圖

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)左面測(cè)量云圖

在發(fā)動(dòng)機(jī)前面的測(cè)量云圖，也同樣地可以發(fā)現(xiàn)最大的噪聲源也在油底殼。為此可以分別取不同測(cè)量面的聲強(qiáng)最大測(cè)點(diǎn)的頻譜圖作進(jìn)一步分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)頂面對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)級(jí)最大的頻譜圖如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量頂面聲強(qiáng)級(jí)最大的頻譜圖

從該圖可以看出，頻率為190 Hz時(shí)頻譜峰值達(dá)到77.4 dB(A)，190 Hz是發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率，頻率為570 Hz時(shí)聲強(qiáng)級(jí)達(dá)到最大值為100.7 dB(A)，是該發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率的3倍頻。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置及油底殼振動(dòng)測(cè)試

噪聲的本質(zhì)來(lái)自于振動(dòng)，對(duì)該微型客車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)除了進(jìn)行噪聲測(cè)試外，還要有選擇地進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，尤其是對(duì)一些薄壁件，以便從根本途徑上進(jìn)行噪聲控制。

前述薄壁件為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源，為此進(jìn)行以下幾個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)量：油底殼、右側(cè)懸置、左側(cè)懸置、和變速器相連的中間懸置。測(cè)試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷，轉(zhuǎn)速為5 700 r/min，電風(fēng)扇開(kāi)啟的，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量點(diǎn)的最大加速度

圖8是油底殼振動(dòng)加速度頻譜，從表和圖中都可以看出被測(cè)試點(diǎn)的最大加速度出現(xiàn)在低頻段，并和發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率190 Hz是一致的，油底殼處的加速度值最大。分析懸置結(jié)構(gòu)和性能發(fā)現(xiàn)，其懸置點(diǎn)布置和剛度性能已經(jīng)處在比較理想的狀態(tài)，優(yōu)化改進(jìn)的空間很小。

圖8 油底殼振動(dòng)加速度圖譜

1.4 插入損失測(cè)試

試驗(yàn)結(jié)果顯示排氣噪聲是該車(chē)的一個(gè)主要聲源。因此為了確定排氣消聲器的消聲性能和功率損失，對(duì)消聲器進(jìn)行了插入損失試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)房間的頂面和四壁已做簡(jiǎn)單的吸聲處理。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有強(qiáng)的背景噪聲存在，所以對(duì)周?chē)^大的噪聲源如鼓風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)作了停機(jī)、隔聲等處理，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)盡量避免講話(huà)、喧嘩和發(fā)出異響，以提高測(cè)量信號(hào)的信噪比。分別測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)安裝消聲器、直管時(shí)排氣口的聲壓，測(cè)點(diǎn)選擇在距排氣口0.5 m、離地高度1 m處，傳聲器指向排氣口并與排氣口氣流軸向成45°夾角。在滿(mǎn)負(fù)荷條件下，從1 500 r/min～6 000 r/min進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)量，每500 r/min測(cè)量一次，再以同樣的轉(zhuǎn)速間隔降回到1 500 r/min，測(cè)量各轉(zhuǎn)速下的排氣噪聲聲壓級(jí)。

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝消聲器和直管時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2和圖9所示。

圖9 加裝直管和消聲器時(shí)的聲壓級(jí)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

從表2和圖9中數(shù)據(jù)可以看出，原消聲器相對(duì)直管在各轉(zhuǎn)速下均約有10 dB(A)左右的消聲量，而從傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，消聲器在該轉(zhuǎn)速下的消聲能力應(yīng)該還有潛力可挖。這一點(diǎn)從試驗(yàn)得到的排氣噪聲頻譜特性圖對(duì)比分析也可以得到印證。下面僅列出常用轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)的排氣噪聲頻譜圖，并對(duì)其作簡(jiǎn)單對(duì)比分析。圖10表示發(fā)動(dòng)機(jī)在升速過(guò)程中曲軸轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min時(shí)裝直管和裝消聲器的排氣噪聲特性頻譜對(duì)比圖，從上面的頻譜對(duì)比圖可以看出，裝消聲器后中高頻帶范圍內(nèi)的排氣噪聲都有大幅降低，低頻帶的消聲效果不明顯，但是在1 500 Hz以上的高頻范圍內(nèi)，其聲壓級(jí)仍然在65 dB(A)～75 dB(A)之間，這些頻率處的噪聲雖然不處于明顯的峰值狀態(tài)，但在通過(guò)能量疊加求總聲壓級(jí)時(shí)將對(duì)總聲壓級(jí)有較大的貢獻(xiàn)，因此，有必要對(duì)消聲器加以改進(jìn)以降低這些頻率處的噪聲從而降低排氣噪聲。

表2 安裝直管與消聲器時(shí)插入損失對(duì)比表

圖10 直管和消聲器的排氣噪聲特性頻譜對(duì)比

2 排氣消聲器和油底殼的改進(jìn)

根據(jù)以上試驗(yàn)和分析，對(duì)消聲器和油底殼進(jìn)行改進(jìn)并作對(duì)比。

2.1 消聲器改進(jìn)前后的插入損失對(duì)比

對(duì)消聲器進(jìn)行了多種方案改進(jìn)，主要采用GT-power軟件進(jìn)行傳聲損失的數(shù)值計(jì)算，最后確定了一種方案，該方案中由兩個(gè)擴(kuò)張腔和兩個(gè)共振腔組成4腔結(jié)構(gòu)，且共振腔小孔的數(shù)量、孔徑也作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。盡管傳聲損失的效果較好，仍需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行插入損失的驗(yàn)證，改進(jìn)后消聲器和原結(jié)構(gòu)插入損失對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖11 消聲器改進(jìn)前后插入損失對(duì)比

從圖中可以看出，在不同轉(zhuǎn)速工況下，改進(jìn)后消聲器的消聲量和原結(jié)構(gòu)相比都大幅提高，最大約28 dB(A)，最小也有21 dB(A)。

2.2 油底殼的改進(jìn)

通過(guò)3種改進(jìn)方案的對(duì)比，最后取其中之一，也就是油底殼上體保持不變、下體去掉圍板，用4塊平板焊接成加強(qiáng)筋，筋的厚度改成1.6 mm。運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，改進(jìn)前后前6階模態(tài)頻率如表3所示。從表中可以看出，各階頻率都有不同幅度的提高，尤其是第1階、第6階都提高50%以上，提高幅度最小的第3、4階也達(dá)到10.6%，改進(jìn)后第2階模態(tài)振型如圖12所示，最大位移位置在油底殼下體中部。

表3 油底殼模態(tài)頻率對(duì)比

圖12 改后油底殼第2階模態(tài)陣型

3 噪聲評(píng)價(jià)

對(duì)油底殼和消聲器進(jìn)行改進(jìn)，初步驗(yàn)證了局部改進(jìn)效果，但最終需要對(duì)整車(chē)噪聲控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，所以需要對(duì)改進(jìn)后的樣車(chē)進(jìn)行車(chē)外加速行駛噪聲評(píng)價(jià)試驗(yàn)。車(chē)輛、場(chǎng)地和氣候都滿(mǎn)足汽車(chē)加速行駛車(chē)外噪聲測(cè)試方法的規(guī)定。測(cè)試結(jié)果為73.5 dB(A)，小于74 dB(A)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，而車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)主管評(píng)價(jià)結(jié)果也比原車(chē)有顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上研究，得出如下結(jié)論：

（1）采用分別運(yùn)行法獲得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲、變速器噪聲為66.8 dB(A)、69.7 dB(A)、69.8 dB(A)、61.2 dB(A)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲和后橋噪聲、風(fēng)噪聲、輪胎噪聲及背景噪聲各占21%，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲各占20%，變速器噪聲占18%。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架聲強(qiáng)測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)懸架及油底殼振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)油底殼是噪聲輻射源，消聲器插入損失試驗(yàn)結(jié)果表明消聲器有很大的改進(jìn)空間。

（2）對(duì)原消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后消聲器的消聲量和原結(jié)構(gòu)相比都大幅提高，最大約28 dB(A)，最小也有21 dB(A)，而改進(jìn)后的油底殼的各階模態(tài)頻率都有不同幅度的提高，尤其是第1階、第6階提高50%以上，分別達(dá)到53.8%和57.6%，提高幅度最小的第3、第4階也達(dá)到10.6%。

（3）對(duì)改進(jìn)后的整車(chē)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)，車(chē)外加速噪聲由78 dB(A)降到73.5 dB(A)，車(chē)內(nèi)噪聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)顯著提高。