应用减振螺栓降低缸盖罩辐射噪声的仿真与验证

2009 年 国用户大会论文集 - 1 - 应用减振螺栓降低缸盖罩辐射噪声的仿真与验证 方 华 李盛成 袁兆成 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室 长春 130025 摘要： 在对某四缸柴油机进行噪声分析时发现，其顶面噪声主要由缸盖罩辐射引起，峰值频率为 2000用自整机多体动力学分析得到的缸盖罩螺栓的位移响应作为激励，通过限元和 界元分析可知缸盖罩紧固螺栓改为减振螺栓后，降噪效果明显，并得到了实验的验证。 关键词： 缸盖罩 减振螺栓 噪声 有限元 边界元 I 30025 It up 4 by of 000of on as E of of on to by 1 前言 据统计，表面辐射噪声约占发动机总噪声的 70%1，油底壳、正时齿罩以及缸盖罩等罩壳类零部件是主要的表面辐射噪声源，这些零部件均是固定在机体等刚性较大的结构上的，由固定点传递振动，因此，可以通过隔振措施来降低振动能量的传递，进而降低罩壳类零部件的振动响应。 2 柴油机整机声源定位 试验环境为半消声室(地面为反射平面)， 柴油机在标定工况下运转， 转速为 3200r/声按照 1859的噪声测定工程法标准进行声功率的测试以及 1 米声压级的测试。同时对 18003200r/速工况进行了测试。见图 1图 3 所示。 2009 年 国用户大会论文集 - 2 - 0125 315 8002000 500012500 1 测试环境 图 2 整机声功率 1/3 倍频程谱图 由图 2 可知，该柴油机在 12504000围内噪声较大， 2000心频率噪声最大。图 3（ a）为柴油机上部声压测试频谱，可知上部峰值频率仍为 2000部声强测试得知2000值噪声最大，且主要位于缸盖罩，为此，对缸盖罩进行了局部的声强测试，图 3（ b）显示，最大噪声源为缸盖罩顶面靠柴油机前端部位。要降低该噪声除了进行结构修改以减小结构共振辐射噪声外2，减小振动传递路径也是一个行之有效的措施。 (a) 柴油机上部 1 米声压级 1/3 倍频谱 (b) 缸盖罩局部声强谱图 图 3 标定工况测试结果 缸盖罩的振动主要是通过紧固螺栓以及与缸盖的结合面传递给缸盖罩的激励引起的，结合面有橡胶密封垫，能起到一定的削减作用，所以，振动主要通过螺栓传递。为此，在螺栓与缸盖罩结合面上加橡胶减振垫，通过橡胶的阻尼作用减小振动的传递。减振螺栓结构见图 4，箭头所指为橡胶减振垫，下方的凸台为定位凸台，以防止紧固过紧，使减振垫失去效果。 图 4 减振螺栓照片 2009 年 国用户大会论文集 - 3 - 3 缸盖罩的噪声辐射噪声计算 根据缸盖罩的 型进行有限元网格的划分，采用四面体二次单元，共有节点 92656个, 元 46578 个。 材料参数取自材料测试分析结果， 弹性模量 53泊松比 度 铸铝的薄壁缸盖罩而言，缸盖足够刚性，为此，约束缸盖罩与缸盖结合面的垂直方向，同时约束螺栓孔的径向方向，模拟缸 盖罩工作状态，采用 限元软件的兰索斯法进行求解，模态计算结果见图 5。由图 5 可知，柴油机上部的 2000心频率的噪声主要由二、三、四阶模态引起，与声强测试的结果吻合很好，说明约束条件正确。 （ a） 第一阶振型 (1415 （ b） 第二阶振型 (1938（ c） 第三阶振型 (2113 （ d） 第四阶振型 (2260图 5 缸盖罩工作状态下的前四阶约束模态 再建立图 6 的有限元模型，图中青色单元为橡胶减振垫单元，本次计算取阻尼比 =用取自整机多体动力学分析而得到的缸盖罩螺栓的位移响应作为有限元响应分析的激励4，将橡胶垫单元的材料属性设为合金钢，用来模拟不带减振垫的紧固螺栓，分别采用有限元法和边界元法进行响应分析和辐射声场分析后，得到图 7 的声功率计算结果。红线为原型的声功率曲线，蓝线为带减振螺栓的声功率曲线。结果表明，带橡胶减振垫的模型在原型峰值处的噪声幅值均下降，也即顶面的振动均降低4，总体声功率降低了 8 为带减振螺栓缸盖罩的第一峰值频率的法向速度边界，由图可知，采用减振螺栓后，顶面的振动降低，而侧边表动有所增加。 2009 年 国用户大会论文集 - 4 - 图 6 带减振螺栓的缸盖罩有限元模型 图 7 原型与带减振螺栓的声功率比较 图 8 带减振螺栓缸盖罩的第一峰值频率速度边界 4 带减振螺栓缸盖罩的整机噪声测试 噪声测试条件如前，测试工况为标定工况，分别测试了 3200r/态工况以及18003200r/速工况。测量柴油机四点 1 米声压级。比较结果如图 9。图中粗实线为原机，细实线为更换减振螺栓的结果。红线前端，青色排气侧，绿线进气侧蓝线顶部。由图可知，在整个转速范围内，除前端降低较小外，其它表面噪声均有较明显降低，尤其是顶部。降幅为 定工况四点平均声压级降低 2009 年 国用户大会论文集 - 5 - 图 9 加速工况柴油机四点 1 米声压级比较 试验结果表明，加减振螺栓对降低缸盖罩的辐射噪声有明显效果，由图 9 可知，对该柴油机，前端噪声为主要声源，如果正时齿罩能采用此设计，则整机噪声将大为降低。 5 结论 1采用多体动力学，有限元法，边界元法模拟结构的辐射噪声切实可行，用于比较分析更具有参考价值。 2减振螺栓对螺栓紧固件的辐射噪声具有明显的降噪效果。 3采用减振螺栓后，顶面的振动降低，而侧边表面的振动有所增加。因此，对扁平的零部件采用减振螺栓效果会更加显著。 参考文献 1 钱人一. 汽车发动机噪声控制M 同济大学出版社 2 方华等 . 拓扑优化技术在缸盖罩低噪声设计中的应用 J 008 年会论文 3 机械工程材料性能数据手册