前言

排氣熱端是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，且由于工作環(huán)境惡劣，在工作過程中承受高溫、振動(dòng)載荷，也是發(fā) 動(dòng)機(jī)中容易發(fā)生故障的部件，而增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱端由于溫度比一般汽油機(jī)更高，且整體質(zhì)量更大，所以更容易產(chǎn)生可靠性與NVH問題。汽車NVH特性的研究應(yīng)該以整車作為研究對(duì)象，但由于汽車系統(tǒng)極為復(fù)雜，因此經(jīng)常將它分解成多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，如發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)（包括動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)）、底盤子系統(tǒng)（主要包括懸架系統(tǒng)）、車身子系統(tǒng)等。要改善汽車的NVH特性，首先是對(duì)其振動(dòng)源和噪聲源的控制。這就需要改善產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的零部件的結(jié)構(gòu)，改善其振動(dòng)特性，避免產(chǎn)生共振；改進(jìn)旋轉(zhuǎn)元件的平衡；提高零部件的加工精度和裝配質(zhì)量，減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)元件之問的沖擊與摩擦；改善氣體或液體流動(dòng)狀況，避免形成渦流；改善車身結(jié)構(gòu)，提高剛度；施加與噪聲源振幅相當(dāng)而相位相反的聲音等。排氣熱端作為發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)中的重要組成部分其振動(dòng)特性直接影響到整機(jī)的NVH水平。

 

某三缸汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在NVH試驗(yàn)過程中懷疑排氣熱端中的GPF（汽油機(jī)顆粒捕集器）對(duì)整機(jī)噪聲有較大貢獻(xiàn)，但在NVH臺(tái)架上無法排查確定GPF對(duì)噪聲貢獻(xiàn)大小。本文針對(duì)出現(xiàn)NVH問題采用有限元仿真分析對(duì)排氣熱端各零件進(jìn)行排查，頻響分析確定排氣熱端局部振動(dòng)較大位置后通過優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)及位置來降低局部振動(dòng)加速度進(jìn)而改善輻射噪聲問題。經(jīng)過仿真-設(shè)計(jì)優(yōu)化后，頻率500Hz附近整機(jī)輻射噪聲較大的問題得到有效解決且排氣熱端新設(shè)計(jì)方案各可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求并順利通過500小時(shí)耐久性試驗(yàn)。

 

1 NVH問題描述與原因排查

某三缸汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在 NVH 試驗(yàn)過程中懷疑排氣熱端中的 GPF 對(duì)整機(jī)噪聲有較大貢獻(xiàn)，但在 NVH臺(tái)架上無法排查確定 GPF 對(duì)噪聲貢獻(xiàn)大小。如圖 1 整機(jī) NVH 噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，在掃頻至 500Hz 頻率狀態(tài)時(shí)整機(jī)輻射噪聲較大，經(jīng)臺(tái)架上初步觀察測試認(rèn)為噪聲源在排氣熱端 GPF 附近，因此需要通過有限元仿真方法來進(jìn)一步排查問題源頭并提出優(yōu)化改進(jìn)建議。

 

 

圖 1 整機(jī) NVH 噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)（500Hz 附近噪聲較明顯）

 

2 有限元模型建立及邊界條件

所有部件劃分二階四面體網(wǎng)格(Abaqus 軟件 C3D10M 單元），網(wǎng)格尺寸為 1mm，接觸面之間盡量保持節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，模型包括簡化缸蓋、螺栓、排氣歧管本體、增壓器殼體、增壓器法蘭、前級(jí)排氣管進(jìn)氣管、催化器殼體、出氣尾管、出氣法蘭、氧傳感器底座、隔熱罩、固定支架和焊縫等。除缸蓋、螺栓、排氣歧管本體、增壓器殼體和法蘭外，模型其余薄壁件均采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格后 offset 為六面體網(wǎng)格，如圖 2 所示。

 

 

圖2 排氣熱端有限元仿真建模示意圖

 

邊界條件的施加與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況是否吻合，直接影響到分析結(jié)果的正確性、合理性以及準(zhǔn)確性。針對(duì)試驗(yàn)中所出現(xiàn)的 NVH 問題，本文先通過計(jì)算得到溫度場，找出熱機(jī)狀態(tài)下排氣熱端各階對(duì)應(yīng)模態(tài)及振型后采用頻響振動(dòng)分析來排查排氣熱端上的零件，在各個(gè)需關(guān)注的零件上布點(diǎn)來分析頻率相應(yīng)的程度。

 

3 溫度場及模態(tài)仿真分析

由于輻射噪聲的產(chǎn)生與發(fā)動(dòng)機(jī)總成中的零件振動(dòng)幅度有直接的聯(lián)系，通過仿真分析排查問題需要先計(jì)算出試驗(yàn)工況下排氣熱端的溫度場，在溫度場分析時(shí)，熱邊界條件的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，熱邊界條件包括高溫氣體和歧管內(nèi)表面間的強(qiáng)迫對(duì)流換熱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙空氣和歧管外表面的自由對(duì)流換熱、歧管和隔熱罩間的熱輻射、進(jìn)氣法蘭與缸蓋間的熱傳導(dǎo)和缸蓋螺栓與進(jìn)氣法蘭等相鄰部件間的熱傳導(dǎo)等。首先使用 STAR-CCM+計(jì)算出排氣歧管的穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場，得到排氣歧管內(nèi)部氣體溫度和對(duì)流換熱系數(shù)，然后將其映射到排氣歧管內(nèi)表面有限元網(wǎng)格上。其中排氣歧管外壁面環(huán)境溫度和對(duì)流換熱系數(shù)由實(shí)測結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值確定。在確定了相關(guān)熱邊界條件后，即可通過 Abaqus / Standard 算出排氣歧管溫度場。仿真結(jié)果如圖 3 所示。

 

 

圖 3 排氣熱端額定轉(zhuǎn)速下溫度場仿真結(jié)果

 

 

圖 4 頻率 500Hz 附近排氣熱端的模態(tài)振型

 

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，因?yàn)闊岫苏w溫度較高，而金屬材料在高溫時(shí)其物理力學(xué)性能會(huì)發(fā)生很大變化， 支架及各殼體隨著溫度升高，材料彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)等物性參數(shù)都發(fā)生明顯變化，而這些參數(shù)都會(huì)對(duì)模態(tài)分析結(jié)果有影響。如彈性模量降低時(shí)，模態(tài)會(huì)降低。模態(tài)分析時(shí)，簡化缸蓋底部和支架螺栓孔處都設(shè)定為全約束。整機(jī)輻射噪聲較大的500Hz 附近頻率范圍排氣熱端各階模態(tài)如圖 4 及表 1

 

 

表 1 不同對(duì)比方案及機(jī)型各階模態(tài)仿真結(jié)果

 

4 頻響振動(dòng)仿真分析

為了更好的評(píng)估 500Hz 頻率范圍試驗(yàn)中出現(xiàn)的 NVH 問題，本文先通過計(jì)算找出熱機(jī)狀態(tài)下排氣熱端各階對(duì)應(yīng)模態(tài)及振型后采用頻響振動(dòng)分析來排查排氣熱端上的零件，在各個(gè)需關(guān)注的零件上布點(diǎn)來分析對(duì)應(yīng)頻率相應(yīng)的振動(dòng)程度。頻響振動(dòng)分析在缸體缸蓋約束處分別施加 x、y、z 三個(gè)方向的單位加速度作為激勵(lì)源，并在排氣熱端不同位置選取測點(diǎn)來讀取頻響振動(dòng)的加速度幅值來判斷可能造成噪聲問題的具體位置。

 

同時(shí)由于根據(jù)此三缸發(fā)動(dòng)機(jī)改型的四缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)并未發(fā)現(xiàn) 500Hz 附近的整機(jī)輻射噪聲問題，此四缸機(jī)型也作為對(duì)比方案進(jìn)行分析。排氣熱端布置方案及頻響分析仿真結(jié)果如圖 5 所示，發(fā)現(xiàn)排氣熱端各處在頻率接近 500Hz 時(shí)（476Hz）GPF 殼體處加速度幅值明顯大于其他位置。

 

 

圖 5 現(xiàn)臺(tái)架方案頻響分析仿真結(jié)果

 

5 改進(jìn)方案與仿真分析及驗(yàn)證

5.1 優(yōu)化方案描述

針對(duì)頻響振動(dòng)仿真分析發(fā)現(xiàn)的 GPF 殼體缸體側(cè) 500Hz 附近頻響加速度較大的情況提出優(yōu)化建議，增強(qiáng)GPF 附近沖壓支架剛度可以較為直接地降低 GPF 殼體的振動(dòng)加速度幅度。設(shè)計(jì)方面根據(jù)優(yōu)化建議分別提出了四種優(yōu)化方案：優(yōu)化方案一：將 GPF 附近的缸蓋鏈殼支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖 6 所示；優(yōu)化方案二：在優(yōu)化方案一基礎(chǔ)上對(duì)缸體支架進(jìn)行更改，如圖 7 所示；優(yōu)化方案三：在優(yōu)化方案一基礎(chǔ)上 GPF 底部增加支架，如圖 8 所示；優(yōu)化方案四：將原 GPF 附近缸體沖壓支架更換為鑄鋁支架并優(yōu)化了支架結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。

 

根據(jù)此三缸發(fā)動(dòng)機(jī)改型的四缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)由于沒有出現(xiàn) 500Hz 頻率附近 NVH 問題作為橫向?qū)Ρ确桨溉鐖D10 所示。

 

 

圖 6 優(yōu)化方案一布置及頻響分析仿真結(jié)果

 

 

圖 7 優(yōu)化方案二布置及模態(tài)分析仿真結(jié)果

 

 

圖 8 優(yōu)化方案三布置及模態(tài)分析仿真結(jié)果

 

 

圖 9 優(yōu)化方案四布置及頻響分析仿真結(jié)果

 

 

圖 10 四缸機(jī)對(duì)比機(jī)型方案布置及頻響分析仿真結(jié)果

 

5.2 優(yōu)化方案頻響振動(dòng)仿真分析對(duì)比

如圖 11 所示，經(jīng)過對(duì)各優(yōu)化方案及橫向?qū)Ρ确桨高M(jìn)行頻響振動(dòng)分析可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案較原方案 GPF附近局部振動(dòng)均有一定程度的改善，我們以未發(fā)現(xiàn) NVH 問題的四缸機(jī)對(duì)比方案的振動(dòng)仿真結(jié)果作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其他優(yōu)化方案進(jìn)行分析。優(yōu)化方案一相對(duì)原方案支架結(jié)構(gòu)相對(duì)改動(dòng)較小，成本方面基本無變化，但局部振動(dòng)幅值仍高于四缸機(jī) 10%左右；優(yōu)化方案二增大了缸體沖壓支架對(duì)于 GPF 的支撐范圍，整體模態(tài)有一定提高，但由于支架本身跨度過大導(dǎo)致自身剛度略有不足且裝配時(shí)會(huì)有一定困難；優(yōu)化方案三針對(duì)原方案GPF 坐標(biāo) x 軸方向支撐不足導(dǎo)致振動(dòng)較大的情況在 GPF 與缸體之間額外增加了一個(gè)沖壓支架進(jìn)行支撐，仿真結(jié)果顯示優(yōu)化后對(duì) GPF 殼體局部振動(dòng)幅度有明顯改善，較四缸機(jī)降低 5%，此方案的不足為需要在鏈殼上另外找固定點(diǎn)進(jìn)行安裝且會(huì)增加一定成本；優(yōu)化方案四將缸體支架材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后排氣熱端整體模態(tài)有一定提升，GPF 殼體局部振動(dòng)幅度降至四缸機(jī)相同水平（如圖 12 所示），此方案支架安裝點(diǎn)與原方案相同且成本增加很少，因此確定優(yōu)化方案四為最終方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

 

 

圖 11 各優(yōu)化方案版本頻響分析結(jié)果對(duì)比（GPF 殼體測點(diǎn)）

 

 

圖 12 各方案版本頻響分析結(jié)果對(duì)比（原方案-四缸機(jī)-優(yōu)化方案四）

 

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化方案四作為最終設(shè)計(jì)方案在 NVH 臺(tái)架上進(jìn)行了振動(dòng)及噪聲測試，500Hz 頻率附近問題未復(fù)現(xiàn)。后續(xù)在臺(tái)架上也通過了 500 小時(shí)耐久性試驗(yàn)的振動(dòng)耐久與熱沖擊試驗(yàn)。

 

資料來源：達(dá)索官方