汽車發(fā)動機整機NVH集成仿真分析

莫家駒 黃振華 黃鷹 周正群

摘 要：構建了一種汽車發(fā)動機整機NVH集成仿真分析方法，通過應用Ricardo仿真分析套件，對發(fā)動機主要運動組件的配氣組件、曲軸組件、活塞組件和發(fā)動機整機進行建模，利用它們之間的載荷傳遞關系，進行整機NVH集成仿真分析，能夠較早地預見和解決發(fā)動機性改型中出現(xiàn)NVH問題，從而保證發(fā)動機的性能和品質(zhì)，并且縮短發(fā)動機平臺化改型項目開發(fā)的時間，節(jié)約成本。

關鍵詞：發(fā)動機;平臺化;整機NVH;集成;仿真分析

在發(fā)動機NVH開發(fā)的前期，通常采用各運動組件和發(fā)動機缸體分別分析。這樣做的優(yōu)點是需求的數(shù)據(jù)相對較少，缺點是在平臺化發(fā)動機改型開發(fā)項目中，未能在前期發(fā)現(xiàn)更多的問題，導致效率低。而面對日趨激烈的汽車行業(yè)競爭，很多企業(yè)紛紛開展了平臺化建設，以縮短項目開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。發(fā)動機平臺化改型是汽車平臺化中重要的一部分，如何在保證產(chǎn)品性能和可靠性的同時，縮短開發(fā)周期，就顯得尤為重要。汽車發(fā)動機NVH分析是發(fā)動機開發(fā)的一項重要內(nèi)容，外在表現(xiàn)為分析和解決對汽車的噪聲、振動、不平順性的過程，其內(nèi)涵則為在汽車發(fā)動機性能、品質(zhì)和成本間尋找平衡點的策略。本文基于汽車發(fā)動機平臺化改型項目中發(fā)動機NVH開發(fā)，構建了一種汽車發(fā)動機整機NVH集成仿真分析方法。

1 發(fā)動機整機NVH集成仿真分析流程

新發(fā)動機項目中的NVH分析，由于許多數(shù)據(jù)未明確，通常是分別對配氣組件、曲軸組件、活塞組件和缸體缸蓋進行建模分析。其流程如圖1所示。

而在發(fā)動機平臺化改型NVH分析項目中，許多數(shù)據(jù)已經(jīng)確定，能夠構建一種發(fā)動機整機NVH集成仿真分析，對于較早地預見和解決發(fā)動機NVH方面出現(xiàn)的問題，縮短平臺化發(fā)動機改型項目的開發(fā)時間就顯得尤為重要。發(fā)動機整機NVH集成仿真分析流程如圖2所示。

對比圖1圖2中的紅色字體和流程線，可以看出它們之間的區(qū)別。新開發(fā)的發(fā)動機前期NVH仿真分析中，配氣組件、活塞組件、曲軸組件模型是獨立分開分析的，它們所用到的激勵源均是只有缸壓，各組件間缺乏相互傳遞的載荷。而在整機集成NVH分析中，三大組件的仿真分析不再是獨立的，而是有相互影響的輸入和輸出的。

在整機集成NVH仿真分析中，需要分三個步驟完成。先分別進行配氣組件、活塞組件的仿真分析;在結果符合各自的動力性、強度、NVH等指標滿足評價指標后，再將凸輪軸驅(qū)動扭矩導入到曲軸組件中，進行曲軸仿真分析，利用曲軸仿真結果，可以反過來對配氣組件、曲軸組件進行再次優(yōu)化;將活塞的二階運動和曲軸的扭振運動導入到整機模型中，進行整機NVH仿真分析，最后評估整機的NVH性能，并適當提出優(yōu)化建議或者修改。

2 發(fā)動機整機NVH集成仿真分析的問題解決

發(fā)動機整機NVH評估內(nèi)容，主要涉及曲軸扭振、整機振動、1米聲壓級/聲功率、聲壓/聲強等。其中發(fā)動機整機聲壓需要滿足五個面的評價標準，分析每個面的聲壓值情況，由聲壓曲線、1/3倍頻程、Colormap圖得到噪聲頻率分布及成分大小，對發(fā)動機振動峰值頻率成分及對應轉(zhuǎn)速進行分析，找出峰值貢獻頻率范圍，從而排查問題零部件解決問題。

比如在某平臺發(fā)動機改型的整機集成NVH仿真分析結果中，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機前端蓋的曲軸孔座處在4200rpm附近有比較大的振動加速度，該點的1米聲功率曲線在4100～4300rpm范圍也出現(xiàn)了一個小波峰;進一步查看曲軸組件仿真分析結果，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在4200rpm的4階次時曲軸的振動也有個小波峰，其幅值超過評價指標。因此，基本鎖定了問題的癥結點——曲軸在4200rpm的4階次振動傳遞到發(fā)動機的前端蓋孔座，造成發(fā)動機前端蓋曲軸孔座處振動加速度過大。因此需要反過來調(diào)整曲軸組件的參數(shù)。對曲軸前端nose和皮帶輪的參數(shù)進行優(yōu)化后，曲軸前端振動得以降低，進而使得在該工況下曲軸傳遞到發(fā)動機前端蓋孔座的振動加速度減小，該點的1米聲功率曲線在4100～4300rpm范圍的波峰也明顯減小。

圖3～圖5是對曲軸組進行優(yōu)化前后，曲軸振動曲線圖、發(fā)動機整機振動加速度云圖、發(fā)動機前端蓋測試點聲壓功率曲線圖。

3 總結

本文通過某平臺發(fā)動機改型為例，論述了發(fā)動機整機NVH集成仿真分析法的流程，展示了該方法下能夠在項目開發(fā)早期就能發(fā)現(xiàn)發(fā)動機整機振動的異常點，提出有效的優(yōu)化解決方案?？s短了發(fā)動機平臺化改型項目的時間，降低了成本。