某卡車空壓機氣柱共振異響試驗分析及優(yōu)化

袁 帥，郭 彬，劉成龍，史祥東

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

進氣噪聲是發(fā)動機噪聲的主要噪聲源之一，在小型高速發(fā)動機和大型增壓機中，進氣噪聲有時會比發(fā)動機本體噪聲（燃燒噪聲和機械噪聲）高5 dB（A）左右，僅次于排氣噪聲[1]。

擴張管消聲器結構簡單，便于布置，能對進氣系統起到很好的消聲效果[2]。

某卡車樣車進氣系統由進氣道、空濾器、發(fā)動機進氣歧管組成，安裝在發(fā)動機上的空壓機通過管路從進氣道取氣。此車在試驗過程中，進氣系統在全轉速內出現異響，尤其是空濾器附近，向外輻射明顯的“咚咚”異響，產生嚴重的NVH問題。

當管路形成一端閉合一端開口的截面管時，會構成氣柱系統。此管路內的氣體介質，具有連續(xù)分布的質量及可壓縮性，會產生氣柱振動，管道內氣柱構成的系統存在氣柱固有頻率。當空壓機的激勵足夠大時，會使管道氣柱共振，此時整個進氣系統會發(fā)生強烈振動以及很大的輻射噪聲。

本文針對上述問題，通過LMSTest.lab軟件進行噪聲、振動數據采集分析，確定異響頻率計異響源，基于管道聲學原理設計了一款進氣消聲器，有效地解決了此車型進氣異響問題，并為解決同類問題提供了可借鑒的方法。

1 管道氣柱固有頻率計算

1.1 簡單管道氣柱固有頻率計算

簡單管道氣柱模型如圖1所示，設在入口截面1處，壓力和速度分別為ejωtejωt，出口截面 2 處的壓力和速度分別為Pejωt、uejωt.用其表示管道兩端的脈動值，則有以下關系式：

其轉移矩陣表示將截面1處的脈動轉移到截面2處，表達式為：

圖1 簡單管道模型

1.2 復雜管道氣柱固有頻率計算

將管道系統規(guī)劃為容器、匯流點、異徑管等簡單管道原件，其根據每一種簡單管道元件轉移矩陣，以及適當的邊界條件，可以求出由這些管道元件所組成的復雜管道系統的氣柱固有頻率值[3-6]。

容器、匯流點、異徑管的轉移矩陣如下：

容器的轉移矩陣：

式中：S1為管道進口截面積；S2為管道出口截面積；V為容積。

匯流點的轉移矩陣：

式中：S1為主管道進口截面積；S2為主管道出口截面積；S3為回流管截面積。

異徑管的轉移矩陣：

式中：S1為主管道進口截面積；S2為主管道出口截面積；

根據上述各簡單元件的轉移矩陣，對由其所組成的復雜管道系統就能容易的列出管道兩端脈動速度與脈動壓力的關系表達式。

2 進氣系統異響源識別

2.1 異響產生原因分析

某配套6缸柴油機的卡車在空壓機工作時，發(fā)動機全轉速內進氣系統出現異響，由于怠速時發(fā)動機噪聲貢獻量較小，此時主觀感受異響最明顯。

圖2為此車進氣系統結構布置圖，空壓機工作時從進氣管取氣，壓縮空氣用于整車制動。

圖2 進氣系統布置示意圖

管道系統中的氣柱是一個有質量、可壓縮的振動體系，它具有自己的一系列固有頻率。在氣柱靠近壓縮機一端，由于往復式壓縮機周期地間歇吸氣和排氣，使得氣柱受到一個周期性的激振力作用，當激振力的頻率與氣柱的某一階固有頻率相重合時，則氣柱發(fā)生對應于該頻率的共振，使得管道內壓力不均勻度達到一個極大值，并使管道做強烈的機械振動[7]，使得噪聲值增大，并發(fā)出“咚咚”的打鼓聲，對駕駛員及周圍環(huán)境產生嚴重影響。

2.2 試驗分析

本文振對上述異響，在整車定置狀態(tài)下，在怠速、怠速到最高空車轉速緩升速工況對進氣系統進行振動、噪聲試驗，對其振動、噪聲特性進行分析。在空壓機及空濾器上布置三向加速度傳感器，在空濾外側0.5 m處近場布置噪聲傳感器。

圖3、4分別為怠速工況、升速工況下空濾器近場測點噪聲頻譜圖，通過濾波回放及頻譜分析，確定異響頻率為200～240 Hz，且不隨發(fā)動機轉速的變化而變化。

圖3 噪聲測點怠速工況C olo r map圖

圖4 隔振前升速、熄火工況C olo r map圖

圖5 分別為空壓機及空濾器測點振動頻譜圖。

圖5 空壓機及空濾測點振動頻譜圖

如圖5所示，空濾器與空壓機測點都存在200～240 Hz機械共振，與異響噪聲頻率一致，且由于空濾器結構剛度低，其共振幅值較大。

進一步分析空壓機結構，圖6為空壓機結構示意圖，空壓機排氣閥片在空壓機工作時，相應發(fā)生開合，此時會在整個進氣系統內產生氣柱共振，共振頻率在200～240 Hz之間，產生異響。

圖6 空壓機機構示意圖

3 進氣系統異響優(yōu)化

3.1 優(yōu)化措施

根據上述試驗結果，可以判定故障原因為空壓機工作產生的進氣管路氣柱噪聲，噪聲頻率為200～240 Hz，因空壓機工作時膜片開合不可避免，因此在空壓機與進氣道之間增加進氣消聲器，以降低異響頻率的噪聲幅值，達到消除異響的目的。

抗性消聲器對消除中低頻噪聲具有很好的效果，本文采用擴張管結構的抗性消聲器，設計200～240 Hz頻率段插入損失較大的結構，用以消除異響。

擴張管消聲器管長L與消聲頻率f的關系為L=0.25 c/f，其中c為當地聲速，取340 m/s.

取200～240 Hz中心頻率220 Hz計算出理論消聲器管長為380 mm，根據整車實際布置設計管徑分別為40、60、80 mm的消聲器進行驗證，分別命名為方案 1、2、3.

將消聲器連接在空壓機到空濾器的管路之間，圖7為布置示意圖。

圖7 消聲器布置示意圖

3.2 優(yōu)化驗證

根據上述設計的擴張管消聲器進行實車驗證，噪聲測點仍取空濾器近場0.5 m處，與原狀態(tài)進行對比。

圖8為原狀態(tài)與各方案消聲效果噪聲Colormap對比圖，噪聲幅值都設為原狀態(tài)的80 dB（A），表1為200～240 Hz頻段噪聲幅值。

圖8 原狀態(tài)與各方案噪聲C olo r map圖

表1 200～240Hz頻段噪聲幅值

3種方案的消聲器都對200～240 Hz頻段異響起到了衰減作用，其中方案3效果最優(yōu)，對200～240 Hz的異響衰減達到24 dB（A），通過主觀評價驗收。

4 總結

本文針對某卡車空壓機引起的進氣系統氣柱共振異響，提出了判定此異響的方法。通過設計合適消聲頻率的消聲器，布置在空壓機與發(fā)動機進氣管路之間，衰減特定頻率的噪聲，并進行試驗驗證，其整個轉速段內異響完全消除。