125mL摩托车发动机噪声分析

　　1 前言

　　随着噪声法规的不断严格,发动机噪声逐渐成为评价发动机技术好坏的重要指标之一,这将在很大程度上决定产品在市场上的竞争力。降噪需对发动机进行噪声分离,即对主要部位的辐射噪声进行测量以确定系统中潜在的噪声源,了解不同噪声源的频谱特性以及运行工况对噪声特性的影响,在此基础上提出设计改进方案。本文用125mL(以下简写125)摩托车发动机在测功上反拖、空载和带负荷三种工况下进行试验,其装置见图1。测量转速从1500rPmin~7000rPmin;负荷从空载到515kW。拾音器距测点20mm,采用频谱分析仪实时跟踪分析。对小型高速汽油机噪声频段范围可定义为:低频段20Hz~500Hz,中频段500Hz~4kHz,高频段4kHz~20kHz。

　　2 结构辐射噪声分析

　　图2为125摩托车发动机缸体部位近场辐射噪声的低频段,是机械运动和气缸燃烧压力低频分量激励产生的机体表面辐射噪声,由连续成份和离散成份构成。通过对气缸压力的频谱分析可知,气缸压力具有连续的宽带成份,激励相关部件,通过机体向外辐射噪声。不平衡往复惯性力是以f=n/60×i(Hz)为频率的谐波(式中i=1,2,,,m谐次,n为发动机转速rPmin),它激励机体振动,其频率和幅值一般随转速增加而增加,对轴承和活塞的敲击亦增加,使辐射噪声的频率和强度都增大。

　　在摩托车用发动机系列开发过程中,为有效利用配件市场,通常改变气缸容积而不改变原曲柄连杆机构,以此来降低发动机的生产成本。加大缸径使活塞质量增大,加大了往复惯性力对各相关部件的敲击,若机体结构刚度不做相应增加,则表面振动响响应速度加大,使噪声辐射增大。噪声辐射主要取决于结构动态频率特性、表面面积、表面振动速度和表面辐射系数。设计时可采用有限元法对发动机进行刚度分析,寻求合理的自振频率和刚度,因而可提高结构局部刚度,增加局部或总体表面振动阻尼,降低发动机机体表面振动速度。同时考虑到发动机质量的限制,可设定结构最小动态响应和发动机最小质量的多目标最优化函数,以获得在现有生产和工艺条件下的最优化改型。作为摩托车用发动机,还应考虑发动机在摩托车上的安装方式和安装部位,降低附件的辐射噪声,使发动机的主要噪声暴露面积尽量小。

　　3 滚动轴承、活塞敲击和气门-凸轮配气机构噪声分析

　　125摩托车发动机采用滚动轴承来支承曲轴,其受力包括气缸燃烧力、不平衡往复惯性力和旋转惯性力,它们对轴承的冲击是轴承工作噪声的最主要原因。滚动轴承将振动传递给机体,也会激励机体更大的振动和噪声辐射,因此滚动轴承是影响发动机振动噪声的一个重要因素。摩托车发动机的额定转速高,一般不使用附加平衡装置,因而加重了对滚动轴承工作循环的冲击负载。滚动轴承受力面积小,油膜润滑条件较差,轴承径向游隙设计加工偏差大等原因,亦会导致振动加大。图3和图4分别为计算得到的轴承内、外圈受力分析图。其条件是气缸最大爆发压力为6.0MPa,转速为8000rPmin,从图中可以了解到气缸燃烧力、往复惯性力和旋转质量惯性力对滚动轴承内外圈载荷的影响。可见,加配质量补偿率C(过量平衡旋转惯性质量P往复惯性质量=50%)时,滚动轴承内圈的动载脉动较小,且轴承外圈载荷轨迹的变动范围也较为适中,是比较理想的加配质量补偿率,这适用小型高速四冲程发动机。若轴承内外圈动载脉动较小,则能使滚动轴承保持较稳定的工作状态,这对减小自身的振动和由轴承向机体传递的振动是有益的。