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動力總成NVH精調(diào)案例

2020-01-20 23:38:28·  來源：汽車NVH云講堂  作者：C. Grasso M  
　
SAE2004-01-0400Powertrain NVH RefinementC. Grasso M. Martorelli, L. Petrella and F.SbarbatiElasis S.C.p.A.摘要近十年來，隨著產(chǎn)品的不斷增長，對整車尤其
SAE2004-01-0400
Powertrain NVH Refinement 
C. Grasso M. Martorelli, L. Petrella and F.Sbarbati
Elasis S.C.p.A.
 
摘要
近十年來，隨著產(chǎn)品的不斷增長，對整車尤其是動力總成的噪聲和振動性能的要求不斷提高。
 本文介紹了一種新型動力總成的NVH改進(jìn)方法。
我們在整個研究過程中關(guān)注的主要現(xiàn)象是轟鳴的噪音和“Engine presence”。
為了解決這些聲學(xué)問題中的一個或兩個，已經(jīng)測試了幾種解決方案，并且從粗略評估階段到最終調(diào)諧階段給出了每種解決方案。本文的工作主要集中在動力總成的“結(jié)構(gòu)”，即增加其剛度，以及曲軸加飛輪系統(tǒng)上。

前言
目前，NVH性能是當(dāng)前生產(chǎn)動力系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，同時也是排放和燃油消耗的關(guān)鍵。因此，有必要優(yōu)化動力總成的NVH性能，以滿足市場制定的更為雄心勃勃的目標(biāo)，以及對外部車輛噪聲的限制性立法要求（即通過噪聲必須低于74分貝（A））。在我們的案例中，NVH優(yōu)化的方法是通過關(guān)注與更面向客戶的內(nèi)部噪聲（高達(dá)700hz）相關(guān)的聲學(xué)現(xiàn)象來實現(xiàn)的。
整個NVH優(yōu)化考慮了兩個主要的聲學(xué)現(xiàn)象：轟鳴噪聲和“Engine presence”。評估一個或兩個，我們能夠判斷所考慮的組件優(yōu)化的有效性。
當(dāng)四缸四沖程發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)2階突然增加時，會出現(xiàn)隆隆聲，這通常是由于動力總成本身或其他系統(tǒng)（如進(jìn)氣或排氣系統(tǒng)）的共振引起的。
圖1 轟鳴聲
 
例如，圖1顯示了一個內(nèi)部噪聲瀑布圖，其中第發(fā)動機(jī)2階的快速上升非常明顯，從而導(dǎo)致轟鳴噪聲。
我們關(guān)注的另一個現(xiàn)象是“Engine presence”，這是導(dǎo)致音質(zhì)差的主要原因。它考慮的頻率范圍從220到700 Hz，即高于發(fā)動機(jī)2階（對于最大發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6500轉(zhuǎn)/分）。
例如，在圖2中，指出了“Engine presence”的特定頻率范圍的能量。
圖2 發(fā)動機(jī)“Engine presence”現(xiàn)象
 
零部件優(yōu)化
轟鳴噪聲通常是由不良的吸聲或排氣系統(tǒng)調(diào)諧或結(jié)構(gòu)現(xiàn)象引起的。在這項研究中，我們著重研究了能夠增加發(fā)動機(jī)二階振動的動力總成的彎曲共振。
在220-700赫茲的頻率范圍內(nèi)，有許多半發(fā)動機(jī)階數(shù)，如圖2所示（例如，3,5-4,5-5,5發(fā)動機(jī)階數(shù)），這是由于由組合扭矩激勵的動力總成扭轉(zhuǎn)撓度所致[2]。此外，例如，當(dāng)曲軸與飛輪系統(tǒng)發(fā)生共振時，多個半發(fā)動機(jī)階次諧波的振幅增大。
應(yīng)注意的是，對所研究的每個部件進(jìn)行NVH優(yōu)化的方法是，首先，嘗試改善“Engine presence”，同時，驗證隆隆噪聲沒有惡化。

發(fā)動機(jī)油底殼
在動力總成NVH優(yōu)化的第一階段，模態(tài)分析結(jié)果表明，第一彎曲模態(tài)不符合目標(biāo)，因此對爆震噪聲（與車內(nèi)噪聲有關(guān)的現(xiàn)象）具有潛在的關(guān)鍵性。
圖3：基礎(chǔ)方案的油底殼的一階彎曲模態(tài)
在圖3中，顯示了用于對生產(chǎn)和“結(jié)構(gòu)”油底殼進(jìn)行模態(tài)分析的動力總成的幾何結(jié)構(gòu)。
為了增加動力總成的剛度，我們使用了一個鋁制的“結(jié)構(gòu)”油底殼，如圖4所示，它在變速器鐘形殼和發(fā)動機(jī)缸體之間提供結(jié)構(gòu)支撐。其影響是彎曲剛度增加約15%。
圖4：帶有加強(qiáng)筋“結(jié)構(gòu)” 的油底殼
如圖5所示，基礎(chǔ)方案（沖壓鋼）和“結(jié)構(gòu)”油底殼之間的第二個發(fā)動機(jī)階次比較表明，根本沒有降低隆隆噪音，并確認(rèn)這不是問題關(guān)鍵所在。
圖5：帶（虛線）和不帶“結(jié)構(gòu)”油底殼（實心）的發(fā)動機(jī)2階比較
同時，該部件還增加了動力傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度，從而抑制氣缸體的強(qiáng)制偏轉(zhuǎn)，并減少了動力傳動系統(tǒng)在半階多個部件中的振動，從而減少了“Engine presence”，如圖6所示，通過在汽車上進(jìn)行的測量，從1000逐漸增加到6500節(jié)氣門全開時的轉(zhuǎn)速。
圖6：“Engine presence”與（虛線）和不帶“結(jié)構(gòu)”油底殼（實心）的比較
即使對車內(nèi)噪聲沒有影響，該部件也會降低高頻。事實上，以前的研究已經(jīng)表明，發(fā)動機(jī)油底殼是主要的噪聲源之一，主要受通過油底殼軌道的振動傳遞影響，然后通過油底殼軌道變成噪聲（間接空氣噪聲產(chǎn)生）[4&5]。因此，采用“結(jié)構(gòu)”油底殼，加強(qiáng)了油底殼軌道區(qū)域，減少了進(jìn)入油底殼的振動傳遞，從而減少了噪聲排放（盡管噪聲輻射效率提高，可能會導(dǎo)致高頻噪聲問題）。應(yīng)該注意的是，顯示的結(jié)果與在汽車上進(jìn)行的測量有關(guān)，即使優(yōu)化過程的一部分是在發(fā)動機(jī)測試單元中進(jìn)行的。
圖7 帶有扭轉(zhuǎn)減振器的曲軸皮帶輪
圖8：帶（厚）和不帶扭振減振器（?。┑那S固有頻率Amplitude, rpm
扭轉(zhuǎn)減振器
發(fā)動機(jī)采用扭振減振器進(jìn)行設(shè)計，如圖7所示，這主要是由于NVH，同時也是由于曲軸耐久性和可靠性的原因。因此，在本階段的工作中，目的是確定該部件的最佳調(diào)諧（即根據(jù)固有頻率），以減少“Engine presence”。
扭振減振器起到動力減振器的作用，因此，曲軸的扭振固有頻率在運行中被分解為兩個振幅顯著降低的新共振，如圖8所示。
圖9：帶（厚）和不帶扭轉(zhuǎn)減震器（?。┑恼w水平比較
 為了評估其有效性，拆除了“Engine presence”的扭振減振器，測試結(jié)果如圖9所示，顯示了該部件的顯著效果。
如圖10所示，對后者進(jìn)行詳細(xì)分析，可以認(rèn)識到頻率范圍220-700赫茲（“Engine presence”）是導(dǎo)致兩個總體水平之間差異的原因。
圖10：“Engine presence”與（厚）和不帶扭振減振器（?。┑谋容^
通過測試幾個在不同“布置”頻率下調(diào)諧的試樣，對扭振阻尼器的NVH進(jìn)行了開發(fā)。如圖11所示，結(jié)果表明，解決方案之間的內(nèi)部噪音測試沒有太大差異（扭振減振器的固有頻率沒有太大差異，因為保證曲軸耐久性和可靠性所需的范圍很窄）。
圖11：幾個樣品的“Engine presence”比較
 
柔性飛輪
還分析了柔性飛輪對整體噪聲水平的影響，特別是對Engine presence的影響。
 
采用這一部分的原因主要有兩個：
NVH改善，如我們的情況，這是歐洲市場的趨勢；
曲軸應(yīng)力改善是日本市場的主要目標(biāo)。
 
柔性飛輪特別能夠降低頻率范圍220～700赫茲（“Engine presence”），并且對于隆隆噪聲尤其有效。這一現(xiàn)象的特征是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的三個或更多相鄰的n/2階諧波分量顯著出現(xiàn)[3]。它是由曲軸-飛輪系統(tǒng)的彎曲共振引起的，這種共振是由靠近飛輪的氣缸燃燒產(chǎn)生的激振力引起的。
Figure 12:柔性飛輪結(jié)構(gòu)
 
撓性飛輪的目的是調(diào)整曲軸飛輪系統(tǒng)的彎曲共振，使其落在頻率范圍220～700赫茲之外，這是在加速期間發(fā)生聲音質(zhì)量問題的領(lǐng)域〔2〕。
 
柔性飛輪的結(jié)構(gòu)如圖12所示：飛輪質(zhì)量（圖12中的元件2）通過柔性板（圖12中的元件3）連接到曲軸，該彈性板在彎曲方向上是彈性的，在扭轉(zhuǎn)方向上是剛性的。它充當(dāng)飛輪質(zhì)量和曲軸之間的彈簧（在圖12中由元件1連接），因此這使得柔性飛輪能夠調(diào)整曲軸飛輪系統(tǒng)的彎曲共振。
 
圖13所示的測量表明，柔性飛輪在整體噪聲水平上產(chǎn)生相當(dāng)大的改善。
圖13：與（虛線）和無柔性飛輪（固體）的總體水平比較
特別是，這一結(jié)果是由于，對于扭振減振器，在頻率范圍220-700赫茲（“Engine presence”）的巨大好處，如圖14所示。
圖14：“Engine presence”與（虛線）和無柔性飛輪（實心）的比較
柔性飛輪的NVH精煉過程的最后階段將是其彎曲固有頻率的調(diào)諧。為了做到這一點，我們將測試在不同彎曲共振下調(diào)諧的幾個試樣，因此在最后我們將能夠確定最佳解決方案。
 
結(jié)論
通過對發(fā)動機(jī)油底殼、扭振減振器和柔性飛輪的優(yōu)化設(shè)計，對NVH進(jìn)行了細(xì)化處理。
 “結(jié)構(gòu)”油底殼可有效增加彎曲（隆隆噪音）和扭轉(zhuǎn)（Engine presence）的剛度；
即使該部件能夠降低內(nèi)部噪音，尤其是在220-700赫茲的頻率范圍內(nèi)（“Engine presence”），扭振減振器的調(diào)諧也沒有達(dá)到良好的效果；
降低內(nèi)部噪聲也特別是在“Engine presence”的頻率范圍內(nèi)采用柔性飛輪。
目前，“結(jié)構(gòu)”油底殼和柔性飛輪正在優(yōu)化，以使它們投入生產(chǎn)。這些部件將安裝在未來生產(chǎn)汽車的“頂端”模型上。
 
REFERENCES
1.Shoichiro Ide et al., “Improvement ofengine sounf quality through a new flywheel system flexiby
mounted to the crankshaft”. Internationalcongress and exposition – Detroit, Michigan 1990 (paper SAE 900391).
2.Teruo Nakada et al., “Excitation mechanismfor engine vibration of half-order components”. JSAE review 17 (1996), 387-393.
3.Hirofumi Aoki et al., “Effects of powerplant vibration on sound quality in the passenger compartment duringacceleration”. Paper SAE 870955. 
4.M. F. Albrightand D. F. Staffeld, “Noiseand vibration refinement of the Ford 3.8 liter powertrain”. Paper SAE 911073.
5.J. Querengasser, J. Meyer, J. Wolschendorfand J. Nehl, “NVH optimization of an in-line 4-cylinder powertrain”. Paper SAE951294.
 
 
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