某卡車空壓機(jī)氣柱共振異響試驗(yàn)分析及優(yōu)化

袁 帥，郭 彬，劉成龍，史祥東

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

進(jìn)氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要噪聲源之一，在小型高速發(fā)動(dòng)機(jī)和大型增壓機(jī)中，進(jìn)氣噪聲有時(shí)會(huì)比發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲（燃燒噪聲和機(jī)械噪聲）高5 dB（A）左右，僅次于排氣噪聲[1]。

擴(kuò)張管消聲器結(jié)構(gòu)簡單，便于布置，能對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)起到很好的消聲效果[2]。

某卡車樣車進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣道、空濾器、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管組成，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的空壓機(jī)通過管路從進(jìn)氣道取氣。此車在試驗(yàn)過程中，進(jìn)氣系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速內(nèi)出現(xiàn)異響，尤其是空濾器附近，向外輻射明顯的“咚咚”異響，產(chǎn)生嚴(yán)重的NVH問題。

當(dāng)管路形成一端閉合一端開口的截面管時(shí)，會(huì)構(gòu)成氣柱系統(tǒng)。此管路內(nèi)的氣體介質(zhì)，具有連續(xù)分布的質(zhì)量及可壓縮性，會(huì)產(chǎn)生氣柱振動(dòng)，管道內(nèi)氣柱構(gòu)成的系統(tǒng)存在氣柱固有頻率。當(dāng)空壓機(jī)的激勵(lì)足夠大時(shí)，會(huì)使管道氣柱共振，此時(shí)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)以及很大的輻射噪聲。

本文針對(duì)上述問題，通過LMSTest.lab軟件進(jìn)行噪聲、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集分析，確定異響頻率計(jì)異響源，基于管道聲學(xué)原理設(shè)計(jì)了一款進(jìn)氣消聲器，有效地解決了此車型進(jìn)氣異響問題，并為解決同類問題提供了可借鑒的方法。

1 管道氣柱固有頻率計(jì)算

1.1 簡單管道氣柱固有頻率計(jì)算

簡單管道氣柱模型如圖1所示，設(shè)在入口截面1處，壓力和速度分別為ejωtejωt，出口截面 2 處的壓力和速度分別為Pejωt、uejωt.用其表示管道兩端的脈動(dòng)值，則有以下關(guān)系式：

其轉(zhuǎn)移矩陣表示將截面1處的脈動(dòng)轉(zhuǎn)移到截面2處，表達(dá)式為：

圖1 簡單管道模型

1.2 復(fù)雜管道氣柱固有頻率計(jì)算

將管道系統(tǒng)規(guī)劃為容器、匯流點(diǎn)、異徑管等簡單管道原件，其根據(jù)每一種簡單管道元件轉(zhuǎn)移矩陣，以及適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，可以求出由這些管道元件所組成的復(fù)雜管道系統(tǒng)的氣柱固有頻率值[3-6]。

容器、匯流點(diǎn)、異徑管的轉(zhuǎn)移矩陣如下：

容器的轉(zhuǎn)移矩陣：

式中：S1為管道進(jìn)口截面積；S2為管道出口截面積；V為容積。

匯流點(diǎn)的轉(zhuǎn)移矩陣：

式中：S1為主管道進(jìn)口截面積；S2為主管道出口截面積；S3為回流管截面積。

異徑管的轉(zhuǎn)移矩陣：

式中：S1為主管道進(jìn)口截面積；S2為主管道出口截面積；

根據(jù)上述各簡單元件的轉(zhuǎn)移矩陣，對(duì)由其所組成的復(fù)雜管道系統(tǒng)就能容易的列出管道兩端脈動(dòng)速度與脈動(dòng)壓力的關(guān)系表達(dá)式。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)異響源識(shí)別

2.1 異響產(chǎn)生原因分析

某配套6缸柴油機(jī)的卡車在空壓機(jī)工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)氣系統(tǒng)出現(xiàn)異響，由于怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量較小，此時(shí)主觀感受異響最明顯。

圖2為此車進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖，空壓機(jī)工作時(shí)從進(jìn)氣管取氣，壓縮空氣用于整車制動(dòng)。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)布置示意圖

管道系統(tǒng)中的氣柱是一個(gè)有質(zhì)量、可壓縮的振動(dòng)體系，它具有自己的一系列固有頻率。在氣柱靠近壓縮機(jī)一端，由于往復(fù)式壓縮機(jī)周期地間歇吸氣和排氣，使得氣柱受到一個(gè)周期性的激振力作用，當(dāng)激振力的頻率與氣柱的某一階固有頻率相重合時(shí)，則氣柱發(fā)生對(duì)應(yīng)于該頻率的共振，使得管道內(nèi)壓力不均勻度達(dá)到一個(gè)極大值，并使管道做強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)[7]，使得噪聲值增大，并發(fā)出“咚咚”的打鼓聲，對(duì)駕駛員及周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.2 試驗(yàn)分析

本文振對(duì)上述異響，在整車定置狀態(tài)下，在怠速、怠速到最高空車轉(zhuǎn)速緩升速工況對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)、噪聲試驗(yàn)，對(duì)其振動(dòng)、噪聲特性進(jìn)行分析。在空壓機(jī)及空濾器上布置三向加速度傳感器，在空濾外側(cè)0.5 m處近場布置噪聲傳感器。

圖3、4分別為怠速工況、升速工況下空濾器近場測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜圖，通過濾波回放及頻譜分析，確定異響頻率為200～240 Hz，且不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。

圖3 噪聲測(cè)點(diǎn)怠速工況C olo r map圖

圖4 隔振前升速、熄火工況C olo r map圖

圖5 分別為空壓機(jī)及空濾器測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖。

圖5 空壓機(jī)及空濾測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜圖

如圖5所示，空濾器與空壓機(jī)測(cè)點(diǎn)都存在200～240 Hz機(jī)械共振，與異響噪聲頻率一致，且由于空濾器結(jié)構(gòu)剛度低，其共振幅值較大。

進(jìn)一步分析空壓機(jī)結(jié)構(gòu)，圖6為空壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，空壓機(jī)排氣閥片在空壓機(jī)工作時(shí)，相應(yīng)發(fā)生開合，此時(shí)會(huì)在整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生氣柱共振，共振頻率在200～240 Hz之間，產(chǎn)生異響。

圖6 空壓機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

3 進(jìn)氣系統(tǒng)異響優(yōu)化

3.1 優(yōu)化措施

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以判定故障原因?yàn)榭諌簷C(jī)工作產(chǎn)生的進(jìn)氣管路氣柱噪聲，噪聲頻率為200～240 Hz，因空壓機(jī)工作時(shí)膜片開合不可避免，因此在空壓機(jī)與進(jìn)氣道之間增加進(jìn)氣消聲器，以降低異響頻率的噪聲幅值，達(dá)到消除異響的目的。

抗性消聲器對(duì)消除中低頻噪聲具有很好的效果，本文采用擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)的抗性消聲器，設(shè)計(jì)200～240 Hz頻率段插入損失較大的結(jié)構(gòu)，用以消除異響。

擴(kuò)張管消聲器管長L與消聲頻率f的關(guān)系為L=0.25 c/f，其中c為當(dāng)?shù)芈曀?，?40 m/s.

取200～240 Hz中心頻率220 Hz計(jì)算出理論消聲器管長為380 mm，根據(jù)整車實(shí)際布置設(shè)計(jì)管徑分別為40、60、80 mm的消聲器進(jìn)行驗(yàn)證，分別命名為方案 1、2、3.

將消聲器連接在空壓機(jī)到空濾器的管路之間，圖7為布置示意圖。

圖7 消聲器布置示意圖

3.2 優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的擴(kuò)張管消聲器進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，噪聲測(cè)點(diǎn)仍取空濾器近場0.5 m處，與原狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。

圖8為原狀態(tài)與各方案消聲效果噪聲Colormap對(duì)比圖，噪聲幅值都設(shè)為原狀態(tài)的80 dB（A），表1為200～240 Hz頻段噪聲幅值。

圖8 原狀態(tài)與各方案噪聲C olo r map圖

表1 200～240Hz頻段噪聲幅值

3種方案的消聲器都對(duì)200～240 Hz頻段異響起到了衰減作用，其中方案3效果最優(yōu)，對(duì)200～240 Hz的異響衰減達(dá)到24 dB（A），通過主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)收。

4 總結(jié)

本文針對(duì)某卡車空壓機(jī)引起的進(jìn)氣系統(tǒng)氣柱共振異響，提出了判定此異響的方法。通過設(shè)計(jì)合適消聲頻率的消聲器，布置在空壓機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路之間，衰減特定頻率的噪聲，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其整個(gè)轉(zhuǎn)速段內(nèi)異響完全消除。