汽車發(fā)動機(jī)油底殼的振動噪聲性能分析與優(yōu)化
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汽車發(fā)動機(jī)噪聲輻射主要來源于“薄壁結(jié)構(gòu)”，例如油底殼、閥蓋、正時齒輪罩。由于油底殼承受著相對居高的發(fā)動機(jī)缸體的激勵，所以在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲中油底殼的貢獻(xiàn)所占比例較明顯。本文描述了在汽車發(fā)動機(jī)油底殼開發(fā)設(shè)計前期、實物樣件試制之前，用CAE 分析手段對油底殼振動噪聲性能進(jìn)行分析與預(yù)測，并指導(dǎo)油底殼設(shè)計方案改進(jìn)與優(yōu)化，有效地降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，減少樣件試制數(shù)量與輪次而減少試制費用。
在理論上,只要激勵頻率范圍從零擴(kuò)展到無限大,那么系統(tǒng)的動態(tài)特性也就完全確定，本文在沒有發(fā)動機(jī)整機(jī)的三維數(shù)據(jù)但具備慣性參數(shù)時施加多工況下的虛擬力載荷作為輸入,用頻響法有效地模擬與分析發(fā)動機(jī)油底殼的動態(tài)響應(yīng)。用邊界元方法進(jìn)行自由場中油底殼的輻射噪聲分析，在油底殼頂部生成剛性面以防止油底殼內(nèi)表面振動引起的噪聲干擾。隔聲分析中利用聲構(gòu)耦合方法，聲源類型為模擬擴(kuò)散場的分布平面波。油底殼的聲音品質(zhì)特性首先通過場點的聲音回放由人的主觀感受來分析和評價，場點的模擬聲音信號通過發(fā)動機(jī)階次跟蹤方法獲得，得到的聲音品質(zhì)主觀評價結(jié)果可以應(yīng)用于后續(xù)的成對比較法中。
作為優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，本文提供了同等材料的改進(jìn)油底殼結(jié)構(gòu)，從振動級、輻射聲、隔聲、聲音品質(zhì)的計算分析全面比較優(yōu)化設(shè)計前、后油底殼的振動噪聲性能。
1 原油底殼輻射噪聲的仿真
通過試驗測試得到發(fā)動機(jī)整機(jī)的慣性參數(shù),由此換算出油底殼之外部件的慣性參數(shù)并生成相應(yīng)的質(zhì)量單元, 用模態(tài)法進(jìn)行多工況下的動力響應(yīng)分析，，得到各轉(zhuǎn)速下油底殼的振動響應(yīng),用階次跟蹤分析油底殼的輻射噪聲。
1.1 采用發(fā)動機(jī)整機(jī)慣性參數(shù)的模型建立
利用試驗測得的發(fā)動機(jī)整機(jī)的慣性參數(shù)建立整機(jī)有限元模型,如圖1 所示。
圖1 發(fā)動機(jī)整機(jī)有限元模型
發(fā)動機(jī)整機(jī)模態(tài)頻率計算的理論背景是多自由度系統(tǒng)的自由振動方程,其數(shù)學(xué)模型如下式（1）所示。
為對應(yīng)于固有頻率fi 的主振型陣，Ki 為第i 階主剛度，Mi 為第i 階主質(zhì)量。用Virtual Lab Noise&Vibration 模塊進(jìn)行發(fā)動機(jī)整機(jī)的模態(tài)計算，模態(tài)計算分析上限截止頻率是后續(xù)的動態(tài)響應(yīng)分析上限截止頻率的至少兩倍以上。為了與改進(jìn)后的油底殼結(jié)構(gòu)相比較，暫不妨列出前十階模態(tài)計算結(jié)果，如表1 所示，相關(guān)的油底殼各部位的定義如圖2所示。
圖2 油底殼各部位的定義
表1 原油底殼發(fā)動機(jī)整機(jī)前十階模態(tài)計算結(jié)果
假設(shè)發(fā)動機(jī)整機(jī)受簡諧激勵，相應(yīng)的動力學(xué)方程如式(4)所示。
M x″+ C x′+ K x = F(t) (4)
上式中M、C、K 分別為質(zhì)量陣、阻尼陣、剛度陣；F(t)為力載荷；x″、x′、x 分別為加速度向量、速度向量、位移向量。
通過Virtual Lab 軟件用模態(tài)法進(jìn)行多工況下的發(fā)動機(jī)整機(jī)動態(tài)響應(yīng)計算。以結(jié)構(gòu)振動加速度作為油底殼的振動評價參數(shù)，下面列出的圖3 至圖8 分別為某一轉(zhuǎn)速下油底殼左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)、前底部、后底部、斜坡部位某點的振動加速度級頻譜云圖。
圖3 原油底殼左側(cè)一點的法向振動加速度級
圖4 原油底殼右側(cè)一點的法向振動加速度級
圖8 原油底殼斜坡部位法向振動加速度級
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