汽车发动机整机NVH集成仿真分析

摘 要： 构建了一种汽车发动机整机NVH集成仿真分析方法，通过应用Ricardo仿真分析套件，对发动机主要运动组件的配气组件、曲轴组件、活塞组件和发动机整机进行建模，利用它们之间的载荷传递关系，进行整机NVH集成仿真分析，能够较早地预见和解决发动机性改型中出现NVH问题，从而保证发动机的性能和品质，并且缩短发动机平台化改型项目开发的时间，节约成本。

在发动机NVH开发的前期，通常采用各运动组件和发动机缸体分别分析。这样做的优点是需求的数据相对较少，缺点是在平台化发动机改型开发项目中，未能在前期发现更多的问题，导致效率低。而面对日趋激烈的汽车行业竞争，很多企业纷纷开展了平台化建设，以缩短项目开发周期，降低研发成本。发动机平台化改型是汽车平台化中重要的一部分，如何在保证产品性能和可靠性的同时，缩短开发周期，就显得尤为重要。汽车发动机NVH分析是发动机开发的一项重要内容，外在表现为分析和解决对汽车的噪声、振动、不平顺性的过程，其内涵则为在汽车发动机性能、品质和成本间寻找平衡点的策略。本文基于汽车发动机平台化改型项目中发动机NVH开发，构建了一种汽车发动机整机NVH集成仿真分析方法。

图1 新开发发动机前期NVH仿真分析流程图

图2 平台化发动机改型整机NVH集成仿真分析流程图

1 发动机整机NVH集成仿真分析流程

新发动机项目中的NVH分析，由于许多数据未明确，通常是分别对配气组件、曲轴组件、活塞组件和缸体缸盖进行建模分析。其流程如图1所示。

而在发动机平台化改型NVH分析项目中，许多数据已经确定，能够构建一种发动机整机NVH集成仿真分析，对于较早地预见和解决发动机NVH方面出现的问题，缩短平台化发动机改型项目的开发时间就显得尤为重要。发动机整机NVH集成仿真分析流程如图2所示。

对比图1图2中的红色字体和流程线，可以看出它们之间的区别。新开发的发动机前期NVH仿真分析中，配气组件、活塞组件、曲轴组件模型是独立分开分析的，它们所用到的激励源均是只有缸压，各组件间缺乏相互传递的载荷。而在整机集成NVH分析中，三大组件的仿真分析不再是独立的，而是有相互影响的输入和输出的。

在整机集成NVH仿真分析中，需要分三个步骤完成。先分别进行配气组件、活塞组件的仿真分析；在结果符合各自的动力性、强度、NVH等指标满足评价指标后，再将凸轮轴驱动扭矩导入到曲轴组件中，进行曲轴仿真分析，利用曲轴仿真结果，可以反过来对配气组件、曲轴组件进行再次优化；将活塞的二阶运动和曲轴的扭振运动导入到整机模型中，进行整机NVH仿真分析，最后评估整机的NVH性能，并适当提出优化建议或者修改。

图3 优化前后曲轴振动曲线图

图4 优化前后发动机整机振动加速度云图

图5 优化前后发动机前端盖声压功率曲线图

2 发动机整机NVH集成仿真分析的问题解决

发动机整机NVH评估内容，主要涉及曲轴扭振、整机振动、1米声压级/声功率、声压/声强等。其中发动机整机声压需要满足五个面的评价标准，分析每个面的声压值情况，由声压曲线、1/3倍频程、Colormap图得到噪声频率分布及成分大小，对发动机振动峰值频率成分及对应转速进行分析，找出峰值贡献频率范围，从而排查问题零部件解决问题。

表面声压级计算：

声功率级计算：

比如在某平台发动机改型的整机集成NVH仿真分析结果中，发现发动机前端盖的曲轴孔座处在4200rpm附近有比较大的振动加速度，该点的1米声功率曲线在4100～4300rpm范围也出现了一个小波峰；进一步查看曲轴组件仿真分析结果，发现发动机在4200rpm的4阶次时曲轴的振动也有个小波峰，其幅值超过评价指标。因此，基本锁定了问题的症结点——曲轴在4200rpm的4阶次振动传递到发动机的前端盖孔座，造成发动机前端盖曲轴孔座处振动加速度过大。因此需要反过来调整曲轴组件的参数。对曲轴前端nose和皮带轮的参数进行优化后，曲轴前端振动得以降低，进而使得在该工况下曲轴传递到发动机前端盖孔座的振动加速度减小，该点的1米声功率曲线在4100～4300rpm范围的波峰也明显减小。

图3～图5是对曲轴组进行优化前后，曲轴振动曲线图、发动机整机振动加速度云图、发动机前端盖测试点声压功率曲线图。

3 总结

本文通过某平台发动机改型为例，论述了发动机整机NVH集成仿真分析法的流程，展示了该方法下能够在项目开发早期就能发现发动机整机振动的异常点，提出有效的优化解决方案。缩短了发动机平台化改型项目的时间，降低了成本。

作者：莫家驹 黄振华 黄鹰 周正群