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动力总成NVH精调案例

2020-01-20 23:38:28·  来源：汽车NVH云讲堂  作者：C. Grasso M  
　
SAE2004-01-0400Powertrain NVH RefinementC. Grasso M. Martorelli, L. Petrella and F.SbarbatiElasis S.C.p.A.摘要近十年来，随着产品的不断增长，对整车尤其
SAE2004-01-0400
Powertrain NVH Refinement 
C. Grasso M. Martorelli, L. Petrella and F.Sbarbati
Elasis S.C.p.A.
 
摘要
近十年来，随着产品的不断增长，对整车尤其是动力总成的噪声和振动性能的要求不断提高。
 本文介绍了一种新型动力总成的NVH改进方法。
我们在整个研究过程中关注的主要现象是轰鸣的噪音和“Engine presence”。
为了解决这些声学问题中的一个或两个，已经测试了几种解决方案，并且从粗略评估阶段到最终调谐阶段给出了每种解决方案。本文的工作主要集中在动力总成的“结构”，即增加其刚度，以及曲轴加飞轮系统上。

前言
目前，NVH性能是当前生产动力系统的关键之一，同时也是排放和燃油消耗的关键。因此，有必要优化动力总成的NVH性能，以满足市场制定的更为雄心勃勃的目标，以及对外部车辆噪声的限制性立法要求（即通过噪声必须低于74分贝（A））。在我们的案例中，NVH优化的方法是通过关注与更面向客户的内部噪声（高达700hz）相关的声学现象来实现的。
整个NVH优化考虑了两个主要的声学现象：轰鸣噪声和“Engine presence”。评估一个或两个，我们能够判断所考虑的组件优化的有效性。
当四缸四冲程发动机的发动机2阶突然增加时，会出现隆隆声，这通常是由于动力总成本身或其他系统（如进气或排气系统）的共振引起的。
图1 轰鸣声
 
例如，图1显示了一个内部噪声瀑布图，其中第发动机2阶的快速上升非常明显，从而导致轰鸣噪声。
我们关注的另一个现象是“Engine presence”，这是导致音质差的主要原因。它考虑的频率范围从220到700 Hz，即高于发动机2阶（对于最大发动机转速为6500转/分）。
例如，在图2中，指出了“Engine presence”的特定频率范围的能量。
图2 发动机“Engine presence”现象
 
零部件优化
轰鸣噪声通常是由不良的吸声或排气系统调谐或结构现象引起的。在这项研究中，我们着重研究了能够增加发动机二阶振动的动力总成的弯曲共振。
在220-700赫兹的频率范围内，有许多半发动机阶数，如图2所示（例如，3,5-4,5-5,5发动机阶数），这是由于由组合扭矩激励的动力总成扭转挠度所致[2]。此外，例如，当曲轴与飞轮系统发生共振时，多个半发动机阶次谐波的振幅增大。
应注意的是，对所研究的每个部件进行NVH优化的方法是，首先，尝试改善“Engine presence”，同时，验证隆隆噪声没有恶化。

发动机油底壳
在动力总成NVH优化的第一阶段，模态分析结果表明，第一弯曲模态不符合目标，因此对爆震噪声（与车内噪声有关的现象）具有潜在的关键性。
图3：基础方案的油底壳的一阶弯曲模态
在图3中，显示了用于对生产和“结构”油底壳进行模态分析的动力总成的几何结构。
为了增加动力总成的刚度，我们使用了一个铝制的“结构”油底壳，如图4所示，它在变速器钟形壳和发动机缸体之间提供结构支撑。其影响是弯曲刚度增加约15%。
图4：带有加强筋“结构” 的油底壳
如图5所示，基础方案（冲压钢）和“结构”油底壳之间的第二个发动机阶次比较表明，根本没有降低隆隆噪音，并确认这不是问题关键所在。
图5：带（虚线）和不带“结构”油底壳（实心）的发动机2阶比较
同时，该部件还增加了动力传动系统的扭转刚度，从而抑制气缸体的强制偏转，并减少了动力传动系统在半阶多个部件中的振动，从而减少了“Engine presence”，如图6所示，通过在汽车上进行的测量，从1000逐渐增加到6500节气门全开时的转速。
图6：“Engine presence”与（虚线）和不带“结构”油底壳（实心）的比较
即使对车内噪声没有影响，该部件也会降低高频。事实上，以前的研究已经表明，发动机油底壳是主要的噪声源之一，主要受通过油底壳轨道的振动传递影响，然后通过油底壳轨道变成噪声（间接空气噪声产生）[4&5]。因此，采用“结构”油底壳，加强了油底壳轨道区域，减少了进入油底壳的振动传递，从而减少了噪声排放（尽管噪声辐射效率提高，可能会导致高频噪声问题）。应该注意的是，显示的结果与在汽车上进行的测量有关，即使优化过程的一部分是在发动机测试单元中进行的。
图7 带有扭转减振器的曲轴皮带轮
图8：带（厚）和不带扭振减振器（薄）的曲轴固有频率Amplitude, rpm
扭转减振器
发动机采用扭振减振器进行设计，如图7所示，这主要是由于NVH，同时也是由于曲轴耐久性和可靠性的原因。因此，在本阶段的工作中，目的是确定该部件的最佳调谐（即根据固有频率），以减少“Engine presence”。
扭振减振器起到动力减振器的作用，因此，曲轴的扭振固有频率在运行中被分解为两个振幅显著降低的新共振，如图8所示。
图9：带（厚）和不带扭转减震器（薄）的整体水平比较
 为了评估其有效性，拆除了“Engine presence”的扭振减振器，测试结果如图9所示，显示了该部件的显著效果。
如图10所示，对后者进行详细分析，可以认识到频率范围220-700赫兹（“Engine presence”）是导致两个总体水平之间差异的原因。
图10：“Engine presence”与（厚）和不带扭振减振器（薄）的比较
通过测试几个在不同“布置”频率下调谐的试样，对扭振阻尼器的NVH进行了开发。如图11所示，结果表明，解决方案之间的内部噪音测试没有太大差异（扭振减振器的固有频率没有太大差异，因为保证曲轴耐久性和可靠性所需的范围很窄）。
图11：几个样品的“Engine presence”比较
 
柔性飞轮
还分析了柔性飞轮对整体噪声水平的影响，特别是对Engine presence的影响。
 
采用这一部分的原因主要有两个：
NVH改善，如我们的情况，这是欧洲市场的趋势；
曲轴应力改善是日本市场的主要目标。
 
柔性飞轮特别能够降低频率范围220～700赫兹（“Engine presence”），并且对于隆隆噪声尤其有效。这一现象的特征是发动机转速的三个或更多相邻的n/2阶谐波分量显著出现[3]。它是由曲轴-飞轮系统的弯曲共振引起的，这种共振是由靠近飞轮的气缸燃烧产生的激振力引起的。
Figure 12:柔性飞轮结构
 
挠性飞轮的目的是调整曲轴飞轮系统的弯曲共振，使其落在频率范围220～700赫兹之外，这是在加速期间发生声音质量问题的领域〔2〕。
 
柔性飞轮的结构如图12所示：飞轮质量（图12中的元件2）通过柔性板（图12中的元件3）连接到曲轴，该弹性板在弯曲方向上是弹性的，在扭转方向上是刚性的。它充当飞轮质量和曲轴之间的弹簧（在图12中由元件1连接），因此这使得柔性飞轮能够调整曲轴飞轮系统的弯曲共振。
 
图13所示的测量表明，柔性飞轮在整体噪声水平上产生相当大的改善。
图13：与（虚线）和无柔性飞轮（固体）的总体水平比较
特别是，这一结果是由于，对于扭振减振器，在频率范围220-700赫兹（“Engine presence”）的巨大好处，如图14所示。
图14：“Engine presence”与（虚线）和无柔性飞轮（实心）的比较
柔性飞轮的NVH精炼过程的最后阶段将是其弯曲固有频率的调谐。为了做到这一点，我们将测试在不同弯曲共振下调谐的几个试样，因此在最后我们将能够确定最佳解决方案。
 
结论
通过对发动机油底壳、扭振减振器和柔性飞轮的优化设计，对NVH进行了细化处理。
 “结构”油底壳可有效增加弯曲（隆隆噪音）和扭转（Engine presence）的刚度；
即使该部件能够降低内部噪音，尤其是在220-700赫兹的频率范围内（“Engine presence”），扭振减振器的调谐也没有达到良好的效果；
降低内部噪声也特别是在“Engine presence”的频率范围内采用柔性飞轮。
目前，“结构”油底壳和柔性飞轮正在优化，以使它们投入生产。这些部件将安装在未来生产汽车的“顶端”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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