发动机前端系统的噪声分析

莫汉忠，徐成思，王 庚，欧阳天成，黄豪中

（1.东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545000；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

随着我国经济的高速发展和人们物质生活水平的不断提高，乘用车已成为家家户户出行最为普遍的交通工具，而作为汽车的核心部件——发动机，它起着能量转化。动力输出等至关重要的作用[1-3]。为保障其正常平稳的运行，由水泵、配气机构、正时链轮、正时罩、附件皮带等组成的发动机前端系统准确控制着进、排气门的开启和关闭，以及为高速运转状态下的零部件及时提供冷却[4-5]。由此可见，发动机前端NVH（noise，vibration，harshness）性能的优劣，将直接影到响发动机的工作状态，进而影响到整车的正常运行与性能指标。因此，发动机前端系统的振动噪声问题，越来越成为设计和开发人员所关注的对象。

1 噪声问题识别

某车型开发整车路试反馈，车型所搭载的发动机在怠速运行时，发动机正时端存在异常声响。在怠速工况下，主观评价认为发动机前端存在明显的类似蛙鸣音的“咕咕”周期性异常噪声，声音品质较差。为此，将该车型所对应的发动机，放置在发动机半消声室进行了NVH 测试。测试方案中，将发动机放置于测试台架上，发动机前端近场处装有麦克风进行噪声信号采集，然后通过LMS 多通道数据采集系统对噪声信号进行分析处理，绘制成声压级曲线，结果如图1 所示。从图1 中可以清楚看出，所有噪声信号中，频率为500 Hz ～750 Hz 范围的频带幅值波动较大，从而可以判断该频带声压对怠速噪声的贡献起主要作用。

图1 发动机前端声压级曲线图

2 噪声原因仿真分析

为了进一步探究发动机前端噪声的具体来源，我们通过对发动机前端附件逐一进行检测，同时在AVL EXCITE 软件进行前端系统的建模仿真，以此来排查发动机前端各个部件的工作状态。

2.1 水泵本体模态分析

水泵通常布置于发动机前端轮系中，一般通过曲轴皮带轮来驱动，把发动机缸体水道内的热水泵出，把冷水泵入，从而保证发动机缸内的运转温度处于一个合理的范围内，为发动机正常运行的实现提供了热稳定性和可靠性[6-7]。合理的水泵设计方案，其本体的固有频率应该尽量避开发动机常用转速区间所对应的激励频率，以免发生共振导致系统的振动噪声加剧，从而提高系统的可靠性。图2 为怠速工况下，水泵X、Y、Z三个方向振动位移的频域图，从图2 中可以看到，水泵本体模态在652 Hz、685 Hz、735 Hz 以及809 Hz 时被激发，其激发模态正好处于图1 所示的噪声频域带之中。由此可以证明，在怠速工况下，该异常噪声可能是由于水泵本体与发动机系统发生共振所导致的。

图2 水泵本体振动频域图

2.2 前端轮系建模分析

发动机前端各部件的运动，主要是依赖于前端轮系的正常运转，从而将动力从曲轴端输送分配到其余各个部件，使得其它附件正常工作。而皮带和齿轮运行过程中的交替啮合行为，也将不可避免的产生振动噪声，这也可能成为前端噪声的来源[8-10]。

基于这一认识，首先，在AVL EXCITE 软件中，建立了相对应型号发动机前端的整体模型，如图3 所示。然后，建立了配气机构的动力学模型，用于提取进排气凸轮轴的驱动扭矩负载，从而将其作为边界条件输入到前端轮系动力学模型中。接下来，运用EXCITE Power Unit 中相应的Autoshaft 方法，建立了曲轴柔性多体动力学计算模型，如图4 所示。设置好相关发动机基本参数、活塞、连杆的几何及质量参数，提取相应转速下曲轴在正时齿轮处的转速波动，作为正时齿轮计算分析时的转速，作为其边界条件输入。

图3 发动机前端模型

图4 曲轴多体动力学模型

在上述建模得到所需的边界条件后，建立了前端轮系的动力学模型，如图5 所示。

图5 正时齿链动力学模型

完成了发动机前端所有部件的建模之后，将发动机怠速状态下的相应参数输入模型中，可以分别得到前端各附件的分析结果，如图6、图7 所示。

图6 不同转速下缸内压力图

图7 水泵-张紧器段正时链振动频域图

2.3 正时盖罩模态分析

除了发动机本身产生噪声激励源之外，噪声传递的路径或传声介质的材料、设计型态以及约束条件等也与噪声有着密切的关联。作为表面面积最大的薄壁件之一的正时盖罩，由于零部件的装配关系，这种结构在连接处通常会留有缝隙，极容易辐射噪声，因此正时盖罩也可能是发动机前端主要的异响来源[11-12]。通过图8 所示的正时盖罩本体模型的建立，我们得到了其前六阶振型的云图，结果如图9 所示。

图8 正时盖罩模型图

图9 正时盖罩前六阶振型图

从其分析结果可以看到，正时盖罩上壳体接触面处约束不足，容易导致密封处相互撞击，产生异响问题。下壳体在732 Hz 附近存在面板模态激发，与异响噪声范围频率一致，产生共振及噪声问题。同时，正时盖罩上下壳体在连接处无密封设计，存在较大缝隙，并且与机体连接面处也存在较多空洞，不利于噪声控制。

3 结论

针对发动机前端怠速工况下存在的异常噪声问题，对前端附件进行了逐一排查，并结合了AVL EXCITE 软件建模分析，得到了噪声源的部件所在，然后对问题部件进行了优化设计，最终有效改善了发动机噪声异响问题。发动机怠速工况下前端异常噪声频率范围主要与水泵的激励频率有关；通过对水泵本体的建模分析，进行优化设计后，使得其激励频率避开发动机怠速工况下的运转频率，从噪声激励源上有效的减弱水泵振动所引起的噪声异响。