汽车发动机油底壳的振动噪声性能分析与优化

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。

其中mij =mji , kij= kji。上式简化写成式（2）。

第i 阶固有频率如式（3）所示。

其中为对应于固有频率fi 的主振型阵，Ki 为第i 阶主刚度，Mi 为第i 阶主质量。

用Virtual Lab Noise&Vibration 模块进行发动机整机的模态计算，模态计算分析上限截止频率是后续的动态响应分析上限截止频率的至少两倍以上。为了与改进后的油底壳结构相比较，暂不妨列出前十阶模态计算结果，如表1 所示，相关的油底壳各部位的定义如图2所示。

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

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) (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4 原油底壳右侧一点的法向振动加速度级

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)。

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，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。

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