某型柴油发动机油底壳系统振动噪声优化

高维进 陈婷 温拾平 涂涛 刘勇

摘要：针对某型柴油发动机油底壳系统振动噪声问题，结合NVH测试及计算机仿真分析技术确定噪声来源及产生原因。提出多种改善方案，利用计算机仿真技术及制作快速样件，识别出最优方案。批产验证表明，该车型“嗡嗡”异响消失，顾客的用车体验得到有效提升。

Abstract： In view of the vibration and noise problems of the oil sum system of a diesel engine， the noise sources and causes are determined by NVH test and computer simulation analysis technology. A variety of improvement schemes are proposed， and the optimal scheme is identified by using computer simulation technology and making fast samples. The batch production verification shows that the "buzz" noise disappears and the customer's driving experience is effectively improved.

關键词：柴油机;油底壳系统;振动噪声;NVH

Key words： diesel engine;oil sump system;vibration noise;NVH

0  引言

随着生活水平的不断提高，汽车作为一种交通工具日益普及，人们对汽车的舒适性也提出了更高要求，降低汽车噪音已然成为一项亟待解决的课题[1-2]。在某型柴油发动机开发过程中，路试整车暖机后，车外出现“嗡嗡”异响，主观评判不可接受。本文利用NVH测试及计算机仿真技术，确定噪声来源于油底壳。基于计算机模拟分析及样件试制，最终确定了在油底壳内部焊接肋板的方案，成功解决该噪音问题。

1  故障现象确认

1.1 噪声水平确认

为准确、定量的评估噪声情况，分别测试了故障车的车外噪声和驾驶室内噪声。NVH测试结果显示，车外最大噪声为85.4dB，高于国标中74dB的车外噪音限值[3-4]，驾驶室内噪声43dB，满足一般使用需求。

1.2 噪声源识别

在故障车发动机底侧曲轴箱及油底壳上布置传感器，检测出油底壳存在约151Hz的共振带，是油底壳受151Hz共振激励而产生振动噪声。

2  发动机油底壳系统理论设计

发动机油底壳是典型的薄壁零件，极易产生诱导振动，其辐射噪声占整机总辐射噪声的20%左右[5]。基于有限元分析法，对故障车中含机油油底壳动态特性进行分析，为优化油底壳系统振动和噪声分析提供解决方案。

2.1 基于有限元法模态分析

不考虑流体存在，即不考虑流固耦合问题，油底壳系统结构动力学方程为：

在结构与流体耦合问题分析中，需要把结构动力学方程和流体动力学方程与流体连续性方程一起考虑。在机油与油底壳作用的耦合区，机油振动产生的压力作用在油底壳内表面，对油底壳的振动产生影响，同样油底壳内表面的振动会引起机油的扰动，从而为机油提供速度和加速度，流固耦合方程为：

2.2 方案优化理论

固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

2.2.1 假设及限制条件

①结构及流体自由度有效;

②结构刚度及质量影响是线性的;

③阻尼特征求解器没开时没有阻尼;

④结构没有随时间变化的力、位移压力或温度等边界条件。

2.2.2 分析描述

假定系统为有振动且忽略阻尼，则式（1）可以简化为

■ （3）

假设结构做简谐振动，即有：

求解式（5）、式（6）联立的方程组，便可得到n个固有频率ωi（i=1，2，…，n），代入式（4），即可得到特征向量Φi。由此，求解一个多自由度系统的固有频率和振型的问题就归结于求方程组的特征值和特征向量的问题。设计中要提高油底壳系统的固有频率即需要提高系统的刚度矩阵/质量矩阵的比值。

3  优化方案设计

由式（6）可知，要提高系统的固有频率就要提高系统的刚度和减少系统的质量，而减少系统质量则会引起节点速度增加。因此，本文主要考虑通过提高结构刚度来提高油底壳系统的固有频率，提出三种优化方案：

方案一：油底壳厚度增加;

方案二：油底壳内部焊接肋板;

方案三：曲轴箱增加钢板支架。

3.1 优化方案CAE分析

对三种优化方案分别进行CAE分析，结果如图1、图2所示。

3.2 优化方案模拟分析及选型

采用流固耦合法，考虑满机油状态，油底壳模型采用壳单元，密度为7.85g/cm3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.28;机油的模型采用流体单元，密度为0.87g/cm3，声速为1300m/s。计算三种方案中油底壳系统的一阶模态：

方案一，油底壳系统一阶模态167Hz，振型发生改变，如图3所示。

方案二，油底壳系统一阶模态166Hz，振型发生改变，如图4所示。

方案三，油底壳系统一阶模态187Hz，振型发生改变，如图5所示。

根据模态分析结果，综合考虑零件的可靠性、成本、工艺性和装配性，选择方案二制作样件进行NVH测试，评估优化效果。

4  优化效果验证

4.1 快速样件效果验证

将基于方案二制作的快速样件搭载故障车进行NVH测试，测试效果良好，一阶模态提高到218Hz，噪音水平明显改善，如图6所示。

4.2 批产验证

随机抽取工装样件进行测试，一阶模态提高至221.44Hz，较快速样件提高3.44Hz，两次测量结果相差1.55%，远大于激励源振动频率151Hz，噪音水平明显改善;将工装件搭载20台整车，车内外均无异响，改善明显，主观驾评可接受。

5  结束语

通过对某型柴油发动机油底壳系统的振动噪声问题进行NVH测试、计算机仿真分析，确定噪声来源及产生原因，并提出三种改善方案。基于模态分析结果，综合零件可靠性、成本、工艺性和装配性，选择在油底壳内部焊接肋板作为最优方案。经批产验证，该车型“嗡嗡”异响消失，有效改善了顾客用车体验，提升产品满意度。

参考文献：

[1]于文尚，张培贤，等.发动机侧置进气口脉动噪声分析与改进[J].客车技术与研究，2017（6）：19-21.

[2]米鹏宇.对汽车发动机噪声污染及其控制探讨[J].内燃机与配件，2018（22）：148-149.

[3]GB 1495-2002，汽车加速行驶车外噪音限值及测量方法[S].北京：中国标准出版社，2002.

[4]谢东明，孙枝鹏，张志波.GB 1495汽车加速噪声标准限值加严情况研究[J].汽车科技，2019（5）：7-11.

[5]张海娟.发动机油底壳振动与噪声辐射研究[D].合肥：合肥工业大学，2006.