柴油機(jī)齒輪室蓋聲振特性分析與改進(jìn)

孟浩東，趙景波，張 忠，戴旭東，徐 毅，王金泉

(1.常州工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.常柴股份有限公司，江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著新一代農(nóng)機(jī)朝著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，作為農(nóng)機(jī)用主要?jiǎng)恿Φ牟裼蜋C(jī)的NVH特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能日益受到市場(chǎng)與企業(yè)的重視。由于柴油機(jī)壓縮比較大，工作粗暴導(dǎo)致燃燒做功過程中燃燒與機(jī)械激勵(lì)通過不同振動(dòng)傳遞路徑至各類結(jié)構(gòu)部件，激發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大振動(dòng)與噪聲。為了滿足客戶對(duì)農(nóng)用機(jī)械車輛舒適性和NVH控制更高的要求[1-2]，迫切需要對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)與噪聲性能優(yōu)化。

柴油機(jī)薄壁件由于面積大、剛度低，極易受激勵(lì)產(chǎn)生共振響應(yīng)，是結(jié)構(gòu)噪聲輻射的主要部件。目前，在研究柴油機(jī)薄壁件的聲振特性方面，廣泛采用信號(hào)處理技術(shù)、試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)結(jié)合仿真分析等方法[3-9]。文獻(xiàn)[3]融合近場(chǎng)聲壓陣面法、同步壓縮-交叉小波變換法和模態(tài)分析法的識(shí)別優(yōu)勢(shì)，找到導(dǎo)致單缸柴油機(jī)后蓋板異響的薄弱環(huán)節(jié)，通過托架板與加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)消除結(jié)構(gòu)共振異響。文獻(xiàn)[4]采用有限元仿真分析方法結(jié)合間接邊界元的方法計(jì)算分析柴油機(jī)缸蓋罩的結(jié)構(gòu)輻射噪聲，并通過增加旋蓋和局部加厚的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，達(dá)到了降噪目的。文獻(xiàn)[5]利用試驗(yàn)測(cè)試與仿真分析相結(jié)合的強(qiáng)迫振動(dòng)分析方法進(jìn)行油底殼振動(dòng)分析，通過增加邊緣厚度和加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)剛度，有效降低了油底殼振動(dòng)。文獻(xiàn)[6]采用仿真預(yù)測(cè)與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法分析四缸柴油機(jī)齒輪室蓋板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及噪聲輻射，提出了一種板面結(jié)構(gòu)開孔與更換高阻尼材料相結(jié)合的低噪聲優(yōu)化方法。

以某型單缸柴油機(jī)為例，首先在標(biāo)定工況下采用近場(chǎng)聲壓陣面法結(jié)合1/3倍頻程譜法定位分析齒輪室蓋側(cè)結(jié)構(gòu)部件的噪聲輻射特性；再基于自適應(yīng)白噪聲的完備性集總平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥╗10-11](complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise，CEEMDAN)與同步壓縮小波變換法(synchrosqueezed wavelet transform，SWT)[12-14]結(jié)合，分析主要輻射部件齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)特征；最后，采用模態(tài)分析方法研究齒輪室蓋聲振響應(yīng)特性與其結(jié)構(gòu)模態(tài)特性之間的相關(guān)性，指導(dǎo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)聲振特性。

1 柴油機(jī)齒輪室蓋聲振特性試驗(yàn)分析

1.1 CEEMDAN-SWT方法

齒輪室蓋振動(dòng)傳遞路徑與響應(yīng)過程復(fù)雜，其振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)往往表現(xiàn)為非平穩(wěn)、非線性和多重耦合系統(tǒng)特性?；诂F(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的CEEMDAN方法是EEMD方法的改進(jìn)，適合對(duì)復(fù)雜振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)分解，提取振動(dòng)響應(yīng)的主要模態(tài)分量；SWT方法是CWT方法的改進(jìn)，能有效提取非平穩(wěn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)頻局部化特征。因此，采用CEEMDAN-SWT方法對(duì)齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)分解與時(shí)頻分析。算法主要實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先，采用CEEMDAN方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)s(t)+ε0vi(t)進(jìn)行I次實(shí)驗(yàn)，v表示加入的白噪聲，ε0為分析信號(hào)與最終分解所得信號(hào)之間的相對(duì)誤差，通過分解獲取第1個(gè)模態(tài)分量，第1個(gè)余量信號(hào)表示為

(1)

(2)

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算第k+1個(gè)模態(tài)分量為

(3)

式中：Ek(·)為通過EMD方法所產(chǎn)生的第k個(gè)模態(tài)分量。根據(jù)式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)獲取的余量信號(hào)的極值點(diǎn)個(gè)數(shù)至多不超過2個(gè)時(shí)，判斷其分解終止，獲得所有K個(gè)模態(tài)分量。

最后，采用同步壓縮小波技術(shù)SWT對(duì)主要模態(tài)分量時(shí)域信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，獲得的同步壓縮小波系數(shù)表示為

(4)

式中：a為尺度因子；b為平移因子；W(a，b)為模態(tài)分量信號(hào)的連續(xù)小波變換系數(shù)；ω1為中心頻率；A(b)={a;W(a，b)≥γ}，通常閾值γ設(shè)定與信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)和噪聲方差有關(guān)。

綜上所述，基于CEEMDAN-SWT方法能有效消除噪聲和干擾成份，獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的主要模態(tài)分量，提取其時(shí)頻特征信息，提高對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的辨識(shí)能力。

本文中圍繞柴油機(jī)齒輪室蓋結(jié)構(gòu)的聲振特性，融合近場(chǎng)聲壓陣面法與1/3倍頻程譜法CEEMDAN-SWT方法、模態(tài)分析法的優(yōu)勢(shì)開展研究。齒輪室蓋聲振特性分析流程如圖1所示。

圖1 齒輪室蓋聲振特性分析流程框圖

1.2 齒輪室蓋噪聲輻射特性的試驗(yàn)分析

研究對(duì)象為某型單缸四沖程直噴柴油機(jī)，缸徑為110 mm，在標(biāo)定工況下轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，功率為15.5 kW。柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室墻面裝有吸聲微穿孔板，頂面裝有吸聲尖劈。同時(shí)將柴油機(jī)進(jìn)排氣噪聲引出室外，靜態(tài)背景噪聲為56 dB(A)，齒輪室蓋噪聲測(cè)試聲學(xué)環(huán)境滿足工程測(cè)試要求。在柴油機(jī)標(biāo)定工況下，采用型號(hào)為丹麥BK2250的手持式精密聲級(jí)計(jì)，選用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)“慢”擋對(duì)距齒輪室蓋表面10 cm陣面上布置的6×8個(gè)測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)間距10 cm)，按照從上至下、從左至右逐點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)近場(chǎng)聲壓陣面掃描測(cè)量各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)，獲取A計(jì)權(quán)聲壓分布云圖，如圖2所示。

圖2 齒輪室蓋聲壓陣面測(cè)點(diǎn)及聲壓云圖

從圖2中可以看出，在標(biāo)定工況下，柴油機(jī)齒輪室蓋側(cè)近場(chǎng)輻射噪聲最大的部件為齒輪室蓋，其中心部位聲壓級(jí)最大達(dá)到112 dB(A)。齒輪室蓋作為典型的平板型薄壁件，輻射面積大，剛度薄弱結(jié)構(gòu)易受機(jī)體振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生較大振動(dòng)與噪聲。

采用1/3倍頻程譜法進(jìn)一步分析齒輪室蓋近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的噪聲能量分布，獲取其結(jié)構(gòu)噪聲的輻射特性，結(jié)果如圖3所示。

圖3 齒輪室蓋近場(chǎng)聲壓1/3倍頻程譜

分析圖3可知，齒輪室蓋結(jié)構(gòu)噪聲能量主要集中于中高頻，在以1 600 Hz為1/3倍頻程中心頻率(帶寬1 410～1 780 Hz)的頻帶范圍出現(xiàn)聲壓級(jí)峰值104.5 dB(A)。因此，控制齒輪室蓋表面輻射噪聲的關(guān)鍵是控制其中的高頻輻射噪聲。

1.3 齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)特性的試驗(yàn)分析

標(biāo)定工況下，根據(jù)齒輪室蓋噪聲輻射特性，在其中心部位布置振動(dòng)加速度傳感器。采用VTCL_DSP振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行齒輪室蓋的振動(dòng)測(cè)試。國(guó)產(chǎn)VTCL_DSP振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由加速度傳感器、力錘、電荷放大器、16位A/D同步采集器、計(jì)算機(jī)等硬件和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與分析軟件構(gòu)成。待柴油機(jī)工況穩(wěn)定，設(shè)置采樣頻率為12 800 Hz，采集標(biāo)定工況下齒輪室蓋表面垂直方向的加速度信號(hào)，如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及齒輪室蓋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)場(chǎng)景圖

采用傳統(tǒng)頻譜分析法對(duì)獲取的齒輪室蓋加速度振動(dòng)信號(hào)x進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖5(a)所示。分析最下方歸一化幅值的頻譜圖可知，齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的頻譜頻率成分復(fù)雜，且無法獲知其時(shí)頻特征信息。因此，分別基于CEEMDAN-SWT方法與EEMD-CWT方法對(duì)齒輪室蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)主模態(tài)分量提取與時(shí)頻特征分析比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 齒輪室蓋振動(dòng)信號(hào)處理結(jié)果圖

結(jié)合齒輪室蓋噪聲輻射特性分析結(jié)果可知，齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)能量集中頻帶落入其噪聲能量峰值頻帶區(qū)域內(nèi)，振聲能量集中且兩者相關(guān)性強(qiáng)，說明控制齒輪室蓋結(jié)構(gòu)噪聲的關(guān)鍵是控制其中高頻輻射噪聲，降低其結(jié)構(gòu)主振動(dòng)。

2 柴油機(jī)齒輪室蓋的模態(tài)特性分析

根據(jù)齒輪室蓋聲振特性試驗(yàn)分析結(jié)果，采用有限元計(jì)算模態(tài)分析方法分析其結(jié)構(gòu)模態(tài)特性，找到導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化其動(dòng)態(tài)特性。首先，建立鑄鐵齒輪室蓋的仿真計(jì)算模型；然后，選擇單元大小為5 mm的四面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其中在倒角區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格尺寸為2.5 mm；最終獲得有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 齒輪室蓋有限元模型示意圖

為模擬齒輪蓋板與實(shí)際工作相符的約束狀態(tài)，對(duì)齒輪蓋板與機(jī)體不同部位相連接端面的螺栓孔內(nèi)接觸面施加固定約束，約束所有連接螺栓孔的自由度。采用分塊蘭索斯法[15]計(jì)算齒輪室蓋結(jié)構(gòu)的約束模態(tài)，前6階約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1與圖7所示。

表1 齒輪室蓋改進(jìn)前后的約束模態(tài)頻率

圖7 齒輪室蓋第3階約束模態(tài)頻率與振型云圖

從圖7和表1中可以看出，齒輪室蓋第3階約束模態(tài)頻率1 547.5 Hz與其結(jié)構(gòu)主振動(dòng)頻率書館1 560 Hz最相近，其主振型表現(xiàn)為以平板結(jié)構(gòu)中心位置作鼓狀垂向振動(dòng)，變形相對(duì)較大。因此，平板型齒輪室蓋結(jié)構(gòu)中心部位是結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)。

為驗(yàn)證有限元仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用脈沖激勵(lì)方法獲取實(shí)際安裝條件下齒輪室蓋的頻率響應(yīng)函數(shù)，齒輪室蓋頻響函數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 齒輪室蓋頻響函數(shù)曲線

分析圖8可知，齒輪室蓋存在以1 560 Hz為主導(dǎo)的約束模態(tài)中心頻率，接近利用仿真獲取的第3階約束模態(tài)頻率，其頻帶區(qū)間為1 520～1 645 Hz，與齒輪室蓋主振動(dòng)頻率區(qū)間基本相一致，也正好落入齒輪室蓋結(jié)構(gòu)噪聲能量集中頻帶范圍內(nèi)。脈沖激勵(lì)試驗(yàn)分析結(jié)果與CEEMDAN-SWT方法分析結(jié)果相吻合，進(jìn)一步說明齒輪室蓋主約束模態(tài)頻率區(qū)間落入柴油機(jī)激勵(lì)頻率區(qū)間，受激勵(lì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)而輻射較大噪聲。因此，控制齒輪室蓋聲振特性的關(guān)鍵是避開結(jié)構(gòu)共振模態(tài)以降低中高頻帶的振聲能量。

3 柴油機(jī)齒輪室蓋聲振特性改進(jìn)分析

根據(jù)試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果，要降低齒輪室蓋在標(biāo)定工況下產(chǎn)生的聲振響應(yīng)必須避開可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振的頻率區(qū)間，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)來優(yōu)化其聲振特性。針對(duì)齒輪室蓋薄弱環(huán)節(jié)，分別采取齒輪室蓋材料替代方法與齒輪室蓋內(nèi)測(cè)縱橫加強(qiáng)筋高度與寬度以及位置改進(jìn)設(shè)計(jì)方法來提高平板結(jié)構(gòu)彎曲剛度的措施，發(fā)現(xiàn)將齒輪室蓋材料由鑄鋁替代鑄鐵后結(jié)構(gòu)模態(tài)特性并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變，因此通過研究將其內(nèi)側(cè)所有加強(qiáng)筋高度增加3 mm，同時(shí)把縱向加強(qiáng)筋加寬1 mm并右移4 mm來提高結(jié)構(gòu)主約束模態(tài)頻率。齒輪室蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)后如圖9所示，改進(jìn)后其結(jié)構(gòu)約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖10和表1所示。

圖9 改進(jìn)后的齒輪室蓋結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 改進(jìn)后齒輪室蓋第3階約束模態(tài)振型云圖

分析圖10和表1可知，對(duì)齒輪室蓋內(nèi)側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)筋改進(jìn)設(shè)計(jì)后，齒輪室蓋第3階約束模態(tài)頻率提高178.3 Hz，避開了共振頻率區(qū)間，其主振型相對(duì)變形量減小，而質(zhì)量?jī)H增加0.12 kg，同時(shí)改進(jìn)結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)齒輪室蓋裝配產(chǎn)生干涉影響。下一步將根據(jù)改進(jìn)齒輪室蓋的仿真計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)控制結(jié)構(gòu)聲振特性并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1)鑄鐵齒輪室蓋是標(biāo)定工況下單缸柴油機(jī)室蓋側(cè)面最主要的輻射部件，其結(jié)構(gòu)噪聲輻射能量主要集中在以1 600 Hz為中心頻率的頻帶范圍內(nèi)；由齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)引起的主模態(tài)分量存在以1 560 Hz為最大加速度峰值的結(jié)構(gòu)主振動(dòng)點(diǎn)，控制齒輪室蓋結(jié)構(gòu)聲振特性的關(guān)鍵是控制其中高頻帶的振聲響應(yīng)能量、降低結(jié)構(gòu)主振動(dòng)。

2)齒輪室蓋的第3階約束模態(tài)頻率易受柴油機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，是影響結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)特性的關(guān)鍵；通過對(duì)齒輪室蓋板內(nèi)側(cè)縱橫加強(qiáng)筋尺寸和位置加以綜合改進(jìn)，齒輪室蓋第3階約束模態(tài)頻率提高178.3 Hz，避開了共振頻率區(qū)間。

3)融合近場(chǎng)聲壓陣面法與1/3倍頻程譜法、CEEMDAN-SWT方法和模態(tài)分析方法的分析優(yōu)勢(shì)，定位分析了標(biāo)定工況下單缸柴油機(jī)齒輪室蓋噪聲的輻射特性，準(zhǔn)確提取了齒輪室蓋振動(dòng)響應(yīng)的主模態(tài)分量及其時(shí)頻特征，研究了齒輪室蓋聲振響應(yīng)與其結(jié)構(gòu)約束模態(tài)的相關(guān)性，通過對(duì)內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋的改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)聲振特性。