0147汽车发动机油底壳的振动噪声性能分析与优化

1、汽车发动机油底壳的振动噪声性能分析与优化摘要：用CAE方法分析某汽车柴油发动机油底壳的振动噪声性能。通过油底壳的模态分析、 发动机多种工况下的频响分析、辐射噪声及隔声分析、自由场的1米噪声回放等系列仿真计算，从振动级、辐射声级、声传递损失及声音品质综合分析和评价油底壳的振动噪声性能， 并对原油底壳进行振动、噪声、品质优化。关键词：CAE油底壳模态分析频响分析振动级辐射声隔声声音品质振动噪声性能 优化引言汽车发动机噪声辐射主要来源于薄壁结构”，例如油底壳、阀盖、正时 齿轮罩。由于油底壳承受着相对居高的发动机缸体的激励，所以在发动机结构噪声中油底壳的贡献所占比例较明显。本文描述了在汽车发动机油底壳

2、开发设计前期、实物样件试制之前，用CAE分析手段对油底壳振动噪声性能进行分析与预测，并指导油底壳设计方案改进与优化，有效地降低产品开发风险，减少样件试制数量与轮次而减少试制费用。在理论上，只要激励频率范围从零扩展到无限大，那么系统的动态特性也就完全确定，本文在没有发动机整机的三维数据但具备惯性参数时施加多工况下的虚拟力载荷作为输入，用频响法有效地模拟与分析发动机油底壳的动态响应。用边界元方法进行自由场中油底壳的辐射噪声分析，在油底壳顶部生成刚性面以防止油底壳内表面振动引起的噪声干扰。隔声分析中利用声构耦合方法，声源类型为模拟扩散场的分布平面波。油底壳的声音品质特性首先通过场点的声音回放由人的主

3、观感受来分析和评价，场点的模拟声音信号通过发动机阶次跟踪方法获得，得到的声音品质主观评价结果可以应用于后续的成对比较法中。作为优化设计结果，本文提供了同等材料的改进油底壳结构，从振动级、辐射声、隔声、声 音品质的计算分析全面比较优化设计前、后油底壳的振动噪声性能。1原油底壳辐射噪声的仿真通过试验测试得到发动机整机的惯性参数,由此换算出油底壳之外部件的惯性参数并生成相应的质量单元，用模态法进行多工况下的动力响应分析，得到各转速下油底壳的振动响应用阶次跟踪分析油底壳的辐射噪声。1.1采用发动机整机惯性参数的模型建立利用试验测得的发动机整机的惯性参数建立整机有限元模型，如图1所示。图1发动机整机有限

4、元模型1.2发动机整机模态计算分析发动机整机模态频率计算的理论背景是多自由度系统的自由振动方程，其数学模型如下式(1)所示。rm- tn- -Nr ku kn - ki巧广旳f0 ITQ二-UL：- HXifel fcl bn0+(1)rrjilt； Uk；CPtjqJ5丿I kn 1 kc2 ” * kg J Xa o其中mij =mji , kij= kji。上式简化写成式(2 )。M r*+低对=0第i阶固有频率如式(3)所示。fTtKA瓦 = = (i= 1,2,. .41)(3)ArNAM,苗*其中旳=为对应于固有频率fi的主振型阵，Ki为第i阶主刚度，Mi为第i阶主质量。示。斜蝦部

5、吟片底部付前例前右M图2油底壳各部位的定义表1原油底壳发动机整机前十阶模态计算结果肌幣机碟态阶沈1142. 3r以油底丸后直部振动为主n173. 0u油嵐亞询左测振动为主3176. 9以油侧振动为主4311.5以油底壳前鹿部振动为主5227. 0以油底売后底部振动为主6271.0以油嵐壺斷部甘振动为主*290. 0以油底壳前左侧協动为主8295. 5以油底克祈右侧振动为主9348. 8以油底亞后底部扼动为主10350,7以油底此诃底部、斜坡部伉圻底部振动为工1.3发动机整机动态响应计算分析假设发动机整机受简谐激励，相应的动力学方程如式(4)所示。M x + C x + K x = F(t) (

6、4)上式中M、C、K分别为质量阵、阻尼阵、刚度阵；F(t)为力载荷；x、x、x分别为加速度向量、速度向量、位移向量。通过Virtual Lab软件用模态法进行多工况下的发动机整机动态响应计算。以结构振动加速度作为油底壳的振动评价参数，下面列出的图3至图8分别为某一转速下油底壳左侧、右侧、前侧、前底部、后底部、斜坡部位某点的振动加速度级频谱云图。图3原油底壳左侧一点的法向振动加速度级图5原油底克问侧一点的法向按动加速度级国6原油底知逬底部位法向振动加速度级鹵7凍油底壳后底部位法向振动加速度级图8原油底壳斜坡部位法向振动加速度级减小结构振动与降低结构声辐射并不一致，本文的第4节将以控制结构本身振动

7、为目标对原油底壳进行优化，设计出一款减小结构本身振动的油底壳结构。1.4原油底壳辐射噪声计算分析简谐激励作用下结构振动在外部流体介质中产生的辐射声压满足Helmholts方程，如式(5 )。其中，P为声压，K为波数。边界元法求解自由场的场点声压，如式(6)。0GOp0GPp - ,r = (p - G)ds = /s ( p + ipta v nG) ds (6)E ii騷d ji其中，S为边界元表面，G为自由场的格林函数。首先保证用来声学分析的油底壳边界元模型满足分析精度，利用Virtual Lab计算自由声场中油底壳上、下、左、右、前侧五个场点处的声压级分布。图9为原油底壳辐射噪声计算模型

8、，以发动机油底壳上、下、左、右、前侧五个场点处的总声压级作为油底壳的指向性辐 射性能指标之一，相应的频谱见图10。图9原油底壳辐射噪声计算模型图10原油底壳上、下、左、右、前侧五个场点处的声压级频谱可以得到，原油底壳上、下、左、右、前侧1米远处场点的总辐射声压级分别为64.3dBrms、69.4dBrms、66.1dBrms、68.9dBrms、67.2dBrms。图11至图15分别是多工况下发动机原油底壳的结构模态对上述五个场点辐射噪声的参与 量，从中可以看到，前四阶结构模态对辐射噪声的参与量较大。冈11廉油底売结构模态对上方1米远场点辐射唏声的参与-4 ,一厂l厂Tr图12族油底壳结构模态

9、对卜方1米远场点辐旺噪声的参打阁13 .1!；!油底売结构模态对左侧1米远场点辐射噪声的参与14脈油底壳結构棋态对右侧1米远场点辐射喋声的参915克油疚说结构模念对就* 1米远场点辐射哑卤的诙9辐射声功率是单位时间内垂直通过指定面积的声能，如式（7）所示，声功率与结构件的距离无关，以辐射声功率作为油底壳的另一个声辐射性能评价指标。图16各工况下原油底壳的辐射声功率级分布从上图16可以看到各工况下的辐射声功率级在每个模态频率点处较大，而且在500Hz内的中、低频段原结构件的前四阶模态频率附近，即142Hz、173Hz、211Hz、227Hz 附近，发动机各阶次的辐射噪声尤为显著。本文的第4节将针

10、对低频段的模态刚度及噪声进行优化，设计出一款减少低频段噪声并降 低总体辐射噪声的油底壳。2原油底壳隔声性能的仿真 2.1建立隔声分析模型隔声分析中考虑声学分析精度以及空气流体与结构件的耦合，防声墙的模拟做到准确定位声源输入场与透射声场， 声源类型为模拟扩冃攵场的分布平面波，透射声场为自由场，如图17所示。图17原油底壳的隔声分析模型2.2原油底壳的声传递损失计算分析声传递损失是指入射声功率和透射声功率之比值，如式（8）所示，入射声功率与入射场总声压、声阻抗及结构件的几何有关，在满足场点的分布精度及声学边界处理精度条件下，透射声功率与声源激励、结构件本身的模态特性有关，因此以声传递损失作为结构件

11、的隔声性能评价指标。TL = ；=I ds|利用Virtual Lab软件用边界元法进行声传递损失的计算。作为参考，仅列出某一转速下原 油底壳的声传递损失频谱曲线，如图18所示。圈18庇油匱売的声传递损失频谱图18原油底壳的声传递损失频谱从上图18可以看出，原油底壳的声传递损失变化浮动较大，而且在结构模态频率点附近 即142Hz、173Hz、211Hz、227Hz附近，声传递损失明显下降，说明在这些模态频率附 近其隔声性能下降从而其透射声功率明显增大。这是因为，当声源激励频率接近发动机结构模态频率时油底壳上的两波发生共振而产生波的吻合，此时油底壳的振动与空气中声波的振动达到高度耦合，声能大量地

12、透射过油底壳。声源激励大小为1Pa、分析步长为2Hz时2000Hz内原油底壳的总透射声功率为86.68dBrms 。本文的第4节将针对低频段的噪声进行优化，设计出一款减少低频段透射噪声的油底壳。3原油底壳声音品质的仿真3.1模型建立参见图9。3.1合成声音米集|图19至图23分别为原油底壳上、下、左、右、前方一米远处场点的辐射声音合成信息。从声音回放可以感觉到，各场点的声音在听觉上抖动频繁而且比较粗糙，随着发动机转速的提咼声音变得尖锐刺耳。冈19廉油底売上方1米远处场点肖咅存成I割20匝油底克下方1米远处场点声育介成图23匝油底壳丽方1米远处场必胃音fr成4噪声优化噪声优化分两个步骤， 即，先

13、对原油底壳进行形貌优化，之后采取橡胶隔振措施达到更好的减振降噪效果。形貌优化的目的主要是为了加强油底壳的刚度、减小低频段的振动噪声； 而橡胶隔振器阻尼大， 吸收机械能量强，尤其是吸收高频能量更为显著，可以用来控制结构振动参量（例如，加速度）并降低辐射噪声参量（例如，声功率级、声压级）。24所示。4.1油底壳改进后的发动机整机模型对油底壳进行形貌优化后再用橡胶材料采取隔振措施，发动机整机模型如图图24油底壳改进后的发动机整机模型4. 2油底壳改进后的发动机整机模态计算分析油底壳改进后的发动机整机前十阶模态计算结果如表2所示。表2改进油底壳后发动机整机前十阶模态计算结果尬魏机模态附次1模态颉率CH

14、z)振犁I1266.4以油底亞的左侧振动为壬9280,3以油底売曲右侧振动为主3295.2以油底壺后底部掠动为主|J313,5硬油底克曲底剖振动为主5349.1以油企売询乩右振功为上6357.2以油底売询右侧及前底部.斜坡面振动为主7374.5以油底养后底部振动为主8379.2以油雇血前底部及而恻仏 科坡啲振动为主9血0叹油底梵的部甘扼动力上| 10W3* 2从表2可以看出，油底壳改进后的发动机整机第一阶模态频率较原来的第一阶模态频率提高87.2%，模态数明显减少。4. 3油底壳改进后的动态响应计算分析对应于原油底壳，图25至图30分别为改进后油底壳的左侧、右侧、前侧、前底部、后底部、斜坡部位

15、某点的振动加速度级。可以看出，改进后油底壳的振动加速度级明显降低。图25改进后油底壳左侧 点的法向报动加速度级图2(5改进后油底売(侧-点的法向振动加速度级PH27改进后油底売询侧点的法向振动加速度级图28改进力尺養询底部 点的法佃振动加速度级W29改进后油底売后盛8?点的法向扳动抓速度级图30改过肩油底克斜坡部忡点的法向振动如速號级4. 4油底壳改进后的辐射噪声计算分析图31为发动机某一转速（与 1.4中的工况相同）时改进后油底壳上、下、左、右、前侧 五个场点处的声压级频谱。图31改进后油底壳上、下、左、右、前侧五个场点处的声压级频谱从图31可以看到，改进后的油底壳辐射声压级在低频段降幅较明

16、显，而且上、下、左、右、前侧1米远的五个场点其总辐射声压级均明显降低，分别为 54.7dBrms、61.1dBrms、57.2dBrms、56.6dBrms、46.5dBrms，较原油底壳的总辐射声压级分别降低9.6dBrms、8.3dBrms、8.9dBrms、12.3dBrms、20.7dBrms。用阶次跟踪法计算各工况（与1.4中的各工况一致）下的辐射声功率级，如图32所示。图32各工况下优化后油底壳的辐射声功率级分布从图32可以看到，改进油底壳的辐射声功率级明显降低，而且在500Hz内的中、低频段结构件的模态频率附近没有出现明显的噪声辐射峰值，而且每个转速下的总辐射声功率级均明显降低。

17、4. 5改进后油底壳的声传递损失计算分析 利用Virtual Lab软件用边界元法进行声传递损失的计算。作为参考，仅列出某一转速（与2.2中的工况一致）下改进后油底壳的声传递损失频谱曲线，如图33所示。图33改进后油底壳的声传递损失频谱从上图33可以看出，改进后油底壳的声传递损失虽然在一些结构模态频率点附近仍然明显下降，但是已消除了 240Hz以下低频段的声传递损失盲点。声源激励大小为1Pa、分析步长为2Hz时2000Hz内改进油底壳的总透射声功率为83.98dBrms，较原油底壳的总透射声功率降低2.7dBrms 。4. 6改进后油底壳的声音品质分析图34至图38为改进油底壳上下左右前侧五个场点处的辐射声音合成信息。从声音回放可以感觉到各场点的声音强度减弱而且在听觉上抖动减少，随着发动机转速的提高声音过度平滑浑厚，跟原油底壳辐射噪声相比整体上令人愉悦。图34改过油底売上方1米远处场点声音汁诡罔35改进油底売卜方1米远社场点声咅金戍5结语通过形貌优化和橡胶隔振器的米用，在有效减小油底壳的结构振动加速度级、降低辐射噪声级和总透射声功率的冋时也改善了其声音品质。本文旨在汽车发动机油底壳开发设计时，探索油底壳本身振动噪声性能分析与评估方法，由此为设计结构优化、材料选型、工艺设计等技术领域提供关于振动噪声性能评估