發動機耦合共振噪聲研究

曹明柱 李凱 鄭超 王國剛 王卓

摘要：整機耦合共振是發動機常見的噪聲問題，本文以問題為導向，通過頻譜分析，聲源定位試驗，模態試驗的方式鎖定了導致整機耦合共振噪聲突出的原因，通過對復合支架局部模態優化，提高了模態頻率，使復合支架與整機模態進行了規避，降低了耦合振動的風險，最終降低了發動機的耦合共振噪聲。

關鍵詞：聲源定位;耦合共振;模態優化

中圖分類號：U464.134.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0014-02

0? 引言

隨著客戶對整車舒適要求的不斷提高，推動了發動機NVH水平的不斷提升。我國在2019年發布了往復內燃機噪聲限值標準[1]，此標準對小排量大功率汽油機噪聲限值更加嚴格，而三缸機由于本身的慣性力不平衡方面的缺陷[2]，給發動機降噪帶來了更大的挑戰。

結構共振噪聲是發動機最常見的共振類問題，而根據共振噪聲產生的機理，發生部位的不同可采用不同的方式進行優化。如薄壁件的共振，噪聲是受到外部激勵引起了自身模態被激起而產生的噪聲，此類噪聲可采用局部磨合優化或者改善自身的阻尼特性來解決[3]。而耦合振動就比較復雜，發動機耦合振動是指兩個或者多個模態頻率相同或相近的部件在外力的作用下相互作用產生了共振的現象，耦合共振噪聲的解決相對于單件的共振噪聲問題要復雜的多，需要進行模態規避設計。

本文以某三缸發動機為案例通過仿真分析和試驗相結合的方式確定了發動機900-1200Hz共振噪聲是由于整機模態和發動機復合支架支架模態耦合導致的典型的耦合共振噪聲問題，最終通過模態規避的方式將問題解決。

1? 耦合共振噪聲頻譜特征

某發動機在加速工況尤其在大負荷加速工況時900-1200Hz共振噪聲突出，如圖1頻譜分析所示，發動機各個方向均有體現。此共振導致到動機在各個方向的噪聲均較大。通過數字濾波發現，共振到噪聲對整機聲壓級影響有3dB（A）以上，需要對上述共振噪聲進行優化。

2? 噪聲源識別

2.1 聲源定位試驗

目前行業較為常用的噪聲源識別方法有近場測量法，或振動測量方法等，除此之外噪聲源識別的方法還有很多[4]，本次是采用基于Beamforming聲源識別法。通過聲源定位分析可知，如圖2，發動機進氣側900-1200Hz共振帶主聲源在主油底殼與缸體結合處靠近發動機排氣側的位置。排氣側共振噪聲主聲源位置與進氣側類似，主要在缸體、油底殼及正式蓋板結合面附近。前方的共振帶噪聲主聲源在要是減振皮帶輪附近。通過以上分析可以得出：900-1200Hz共振帶噪聲并非發動機表面的共振噪聲，推測為機體內部某零部件共振產生。

2.2 模態試驗

為了進一步鎖定問題源，如圖3，將進行整機及發動機內部件模態測試，此次模態試驗采用移動傳感器，多點激勵多點輸出的方式進行。

整機與復合支架均提取了前6階模態，如表1所示，發動機的第2階模態為950Hz，陣型為發動機扭轉，第3階模態為1150Hz，陣型為彎扭耦合，而復合支架的前6階除第1階模態外其余模態全集中在950-1200Hz之間，發動機的第2、第3階模態和復合支架的第2至6階模態極易產生耦合共振。綜上確定900-1200共振噪聲的根源為整機和復合支架產生了耦合共振，故解決上述噪聲問題需要將整機模態和復合支架模態進行規避設計。

3? CAE仿真分析及優化

對復合支架上的機油泵組件、平衡軸組件建模，搭載整機建立有限元模型，對整機進行模態仿真分析，從整機模態中可以提取整機及復合支架模態，如圖4復合支架模態頻率及振型，仿真分析結果與試驗結果一致，最大誤差在4.4%以內，分析結果精度高，后續以仿真為基礎進行優化分析。

基于以上測試及分析結果，經過多輪次優化分析得出，通過對復合支架及油底殼局部加筋處理模態規避效果最為明顯，優化位置見圖5。優化后復合支架在900- 1200Hz模態消失，僅存在1210Hz個模態頻率。如圖6，優化后整機在900-1200Hz無明模態及振型，復合支架與整機發生耦合振動的風險大大降低。

4? 優化驗證

采用上述優化方案后在臺架對發動機進行的優化驗收測試，如圖7、圖8，900-1200Hz共振帶噪聲消失，加速工況在2500r/min以下常用轉速噪聲平均降低3dB（A），發動機品質顯著提升，優化效果顯著。

5? 結語

聲源定位系統的采用可快速鎖定噪聲問題的發生部位，縮小了排查問題的范圍，提高了優化設計的效率。

針對耦合振動噪聲問題采用試驗和仿真分析的方法進行，從容易整改的零部件著手進行了模態規避，避免了整機產生耦合共振噪聲問題。

參考文獻：

[1]GB 1495-2018，往復內燃機噪聲限值[S].

[2]韓全友，廖武，李玉發，等.某三缸機發動機懸置的優化設計[J].客車技術與研究，2012（5）：14-16.

[3]楊慶佛.內燃機噪聲控制[M].1985：266-270.

[4]武艷波.發動機噪聲源識別及控制技術[J].中北大學碩士論文，2007.5：2-35.