發(fā)動機油底殼的低噪聲結構設計

陳云　李晨鑫

摘 要：發(fā)動機油底殼噪聲大約占總噪聲的20%左右，同時也是發(fā)動機最大的表面噪聲來源，因此，降低油底殼噪聲對降低發(fā)動整體噪聲有非常重要的作用?；诖耍疚囊訷L112材料制作的發(fā)動機油底殼為例，立足CAE模態(tài)分析，提出了一種降低發(fā)動機油底殼噪聲的結構設計思路，并驗證了此種設計思路的可行性。希望對我國發(fā)動機事業(yè)的發(fā)展有一定參考及借鑒。

關鍵詞：發(fā)動機;底殼;低噪聲;CAE

隨著我國科技技術的不斷發(fā)展，CAE技術被廣泛應用在發(fā)動機油底殼開發(fā)中，尤其是在零部件設計階段，通過CAE技術可以對零部件的噪聲、振動等特性進行全面系統(tǒng)的分析，從而在保證設計效果的基礎上，縮短產品開發(fā)設計周期，提升整體運行效果?；诖?，開展發(fā)動機油底殼的低噪聲結構設計的研究就顯得尤為重要。

1 基于CAE的發(fā)動機油底殼模態(tài)分析

在對發(fā)動機油底殼進行CAE模態(tài)分析過程中，網格數量比較大，計算工作量比較大，且對設計精度很高的要求。底殼在發(fā)動機運行中，主要承受著動態(tài)荷載，靜態(tài)荷載應力只占一小部分。因此，進一步細化分析，從而得到更加具有規(guī)則性的模型?；诖?，本文以YL112發(fā)動機油底殼為例，通過10節(jié)點四面體單元將發(fā)動機油底殼CAE模型細致分為79009個單元。YL112發(fā)動機油底殼的密度為2.77e-9t/mm3，楊氏模量為68000MPa，泊松比為0.31[1]。

發(fā)動機油底殼是一種具有連續(xù)質量結構，因此，通過CAE技術可以離散的分為有限個組成模型，可得到如下CAE模型的振動微分方程：

此公式中M表示CAE模型的總體質量矩陣，K表示CAE模型中的總體剛度矩陣，x表示節(jié)點的實際位移向量，C表示阻尼矩陣，F（t）表示激振力向量。在進行發(fā)動機油底殼CAE模態(tài)分析中，為便于計算，通常只進行計算模態(tài)分析，因此，阻尼對頻率的造成的影響可忽略不計，也就是在CAE模態(tài)分析中，設激振向量F（t）=0，因此，公式（1）可簡化為公式（2）：

通過專業(yè)的CAE分析軟件，可對公式（2）求解得到約束模態(tài)，就可以計算出前10階模態(tài)頻率及振型。

2 發(fā)動機油底殼的低噪聲結構設計思路

眾所周知，聲音是由振動形成，發(fā)動機油底殼在運行中，振動是形成噪聲的主要原因，要想降低噪聲就必須先減少振動，通過公式（2）可知，要想降低發(fā)動機油底殼的噪聲，就必須合理提升發(fā)動機油底殼結構的剛度和固有頻率。因為，剛度越大，保持激勵力不變，則發(fā)動機油底殼在運行中形成的振幅就越小。隨著頻率的提升，就可以有效避開低頻振動段，從而達到降噪的目的。

由于發(fā)動機油底殼運行中主要承受的是動態(tài)荷載，靜態(tài)應力非常小，因此，在降噪結構設計中，綜合考慮多方面因素，并通過多次CAE計算分析，提出降噪設計思路：提升發(fā)動機油底側面加強筋的剛度，過去發(fā)動機油底殼多為平板結構，剛度也比較低，通過合理設置加強筋，可有效提升剛度。同時調整發(fā)動機油底殼地面滾壓筋方向及位置，在承受荷載比較小的位置，降低部件重量，并合理調整發(fā)動機缸體的約束點。

發(fā)動機油底殼降噪結構優(yōu)化設計之后，重新進行CAE模態(tài)分析，得到設計前后模態(tài)對比分析圖，如下圖所示：

從上圖中可以看出，結構優(yōu)化之后，發(fā)動機油底殼在頻率上得到了有效提升，尤其是前3階段的提升效果最為明顯，表明此種設計方法，對降低發(fā)動機油底殼運行噪聲起到了良好作用[2]。

3 設計思路的可行性分析

為進一步嚴重此種結構設計思路的可行性，對重新設計后發(fā)動機油底殼進行振動及噪聲測試，主要測試內容包括以下幾點：

第一，在怠速工況下，對發(fā)動機油底殼進行1m聲壓級噪聲測試。

第二，在1000r/min～4000r/min全負荷狀態(tài)下，對發(fā)動機油底殼進氣側進行1m聲壓級噪聲測試。

第三，由于發(fā)動機油底殼在運行中，距離地面比較近，適合開展噪聲進場分析，但為更好的驗證降噪效果，需要進行振動測試，通過振動頻譜來分析具體的優(yōu)化效果。

驗證結果表明：發(fā)動機油底殼在怠速工況下，重新設計后，每個面的噪聲都得到不同程度的降低，其中正面和排氣側降噪幅度最大，分別降低了1.6dB（A）和1.1dB（A）[3]。從1m聲壓級角度來看，噪聲降低了1.1dB（A），有效降低了發(fā)動機油底殼對整機的噪聲得到有效改造。

4 結語

綜上所述，本文結合理論實踐，分析了發(fā)動機油底殼的低噪聲結構設計，分析結構表明，通過提升發(fā)動機油底側面加強筋的剛度，合理設置加強筋，可有效提升剛度。同時調整發(fā)動機油底殼地面滾壓筋方向及位置，在承受荷載比較小的位置，降低部件重量，降噪效果明顯，值得大力推廣應用。

參考文獻：

[1]史曉艷.簡述汽車發(fā)動機油底殼自動化打壓檢測系統(tǒng)工作原理[J].軍民兩用技術與產品，2018（20）：49.

[2]倪偉，龐淑娟.硅膠密封鑄鋁油底殼T型區(qū)滲油分析及解決方案[J].內燃機與配件，2017（5）：70-73.

[3]李歡，胡昌良.基于拓撲優(yōu)化的發(fā)動機油底殼設計研究[J].汽車實用技術，2017（12）：25-27.

作者簡介：陳云（1987-），男，漢族，福建南平人，碩士，綜合創(chuàng)新教研室主任，實驗師，發(fā)動機潤滑系統(tǒng)、發(fā)動機油底殼研究。