发动机活塞的敲击噪声优化方法及发动机与流程

1.本技术涉及发动机nvh分析技术领域，具体涉及一种发动机活塞的敲击噪声优化方法及发动机。


背景技术：

2.随着车辆市场的不断升级及消费理念的不断成熟，用户对车辆的振动噪声的关注度越来越高。活塞是车辆发动机主要运动件之一，其主要功用是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。活塞裙部在气缸内起着导向、承受侧推力和传热等作用。发动机工作过程中活塞在气缸内频繁的换向造成零部件间撞击，导致振动和噪声。发动机的活塞敲击噪声极易被用户识别感知，严重影响用户体验，导致用户抱怨大，影响售后成本和品牌形象。尤其是随着发动机向低摩擦、低油耗趋势发展，大间隙、低粘度润滑油的使用越来越普遍的情况下，敲击噪声更加明显，导致活塞敲击现象在台架和整车试验验证时反复发生。
3.由于活塞敲击发生在气缸内部，常规的噪声、振动及声振粗糙度(noise、vibration andharshness，简称nvh)测试无法检测内部激励，仅能测试外部响应。目前对活塞敲击的识别主要通过台架振动噪声测试及主观评价，对疑似活塞敲击噪声的信号进行小波分析及相位分析，间接锁定为活塞敲击，然后针对问题通过试验的方法进行调校整改，耗时长达两个月至一年，无法快速锁定问题并提出解决方案，严重影响产品的开发效率，不利于改善车内声品质。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种发动机活塞的敲击噪声优化方法及发动机，其可以快速、准确锁定并优化活塞敲击现象，降低活塞敲击声水平，提升车内声品质。
5.为了实现上述目的，本技术采用的技术方案如下：
6.一种发动机活塞的敲击噪声优化方法，包括：根据预存的各机型敲击声能量数据库确定活塞的敲击声能量阈值及缸体的振动加速度阈值；对测试样机进行台架测试，以获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度，如果敲击声能量大于敲击声能量阈值，则判断活塞发生敲击现象；建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型，包括相互配合的活塞环、活塞销、活塞、缸套及连杆，其中，活塞为柔性体，其通过弹性活塞径向刚度矩阵来表征，其余部件为刚性体；将活塞发生敲击现象的工况作为边界条件输入至一维多体动力学模型；选择多个优化设计参数，对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析，得到影响活塞敲击噪声的若干关键影响因子；对若干关键影响因子开展全因子试验设计分析，选择敲击功率最小、且振动加速度小于振动加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。
7.进一步，弹性活塞径向刚度矩阵的计算方法包括：建立活塞的有限元分析模型；在有限元分析模型中施加温度场及力载荷，温度场由活塞发生敲击现象的工况确定；利用对称边界条件计算活塞的热变形，以得到弹性活塞径向刚度矩阵。
8.进一步，多个优化设计参数至少包括：活塞的设计型线、活塞销偏移量、配缸间隙、缸套的设计型线、活塞重量、活塞惯量、活塞质心位置、活塞销重量、连杆重量、曲柄偏移量以及气缸压力。
9.进一步，对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析、得到影响活塞敲击噪声的关键影响因子包括：利用一维多体动力学模型计算各优化设计参数对应的敲击功率；根据敲击功率的大小对各优化设计参数的灵敏度进行排序，得到敏感度较高的若干个关键影响因子；为每个关键影响因子设置多个水平数，利用一维多体动力学模型计算关键影响因子的各水平数对应的敲击功率；将计算结果连成曲线，选择曲线斜率较大且具有可实施性的区间作为优化设计参数的工程化经济区间。
10.进一步，对关键影响因子开展全因子试验设计分析中，全因子试验设计仿真分析的次数至少为e k
次，其中，k为关键影响因子的数量，e为每个关键影响因子的水平数的数量，且k＝3～5，e≥3。
11.进一步，对测试样机进行台架测试、以获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度包括：将测试样机放置于半消声室，测试样机的轮系侧悬置、飞轮侧设置测功机传动轴，使用消声棉包裹进气高压管路和进气低压管路，并引出进气噪声和排气噪声；在测试样机的发动机的前端、左侧、顶部和右侧的各个外包络面的中心点的预设距离处分别设置麦克风；在活塞敲击发生对应的气缸外部布置加速度传感器；将发动机的水温及油温上升到发动机正常工作时的温度；将发动机稳定在活塞敲击发生的工况下后，采集噪声数据和振动加速度数据；对采集的噪声数据和振动加速度数据进行频谱分析，通过能量积分法获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度。
12.进一步，将发动机稳定在活塞敲击发生的工况下后，还包括：测量气缸压力、活塞及缸套的工作温度、活塞与缸套之间的表面粗糙度、缸套设计型线及配缸间隙，以作为一维多体动力学模型的边界条件。
13.进一步，敲击噪声优化方法还包括：建立测试样机的三维实体动力学模型，将优化方案输入至三维实体动力学模型中进行标定，验证优化方案对活塞敲击现象的改善情况。
14.进一步，建立测试样机的三维实体动力学模型包括：建立测试样机各部件的有限元模型，并对有限元模型进行子模态缩减，以获取表征结构固有特征的质量矩阵和刚度矩阵；将质量矩阵和刚度矩阵作为三维实体动力学模型的输入文件。
15.进一步，敲击噪声优化方法还包括对活塞冷却喷嘴的喷油压力进行优化设计，分析活塞与缸套的表面粗糙度及润滑油粘度对敲击噪声的影响。
16.进一步，对活塞冷却喷嘴的喷油压力进行优化设计包括：获取测试样机的活塞与缸套之间的接触面润滑良好时对应的油膜临界值；利用三维实体动力学模型计算活塞与缸套之间的初始油膜厚度；如果初始油膜厚度大于油膜临界值，则根据油膜临界值反向推导活塞冷却喷嘴的喷油压力。
17.进一步，敲击噪声优化方法还包括：根据优化后的各参数再次制作测试样机进行台架测试，验证活塞敲击现象是否改善。
18.一种发动机，该发动机的各部件按照如上所述的发动机活塞的敲击噪声优化方法中的优化方案设计。
19.本技术具有如下有益效果：在发动机设计开发阶段，建立了活塞敲击现象与测试
数据之间的对应关系，确定活塞敲击声特征频段内的声能量阈值和振动加速度阈值，量化活塞敲击现象，快速准确锁定活塞敲击问题；建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型，考虑工作温度对活塞的运动和受力状态的影响，利用测试数据对仿真模型进行充分标定，确保仿真精度；对各种优化设计参数进行灵敏度分析，通过仿真模型进行多参数多因子的试验设计分析，以筛选最优方案组合，确保各敏感因子的交互作用被纳入设计系统；由此，。通过仿真分析可以复现活塞敲击过程，指导活塞参数的优化设计，从而快速、准确锁定并优化活塞敲击现象，降低活塞敲击声水平，提升车内声品质。
附图说明
20.图1示出本技术实施例提供的发动机活塞的敲击噪声优化方法的流程框图；
21.图2示出图1所述的测试样机进行台架测试的正视图；
22.图3示出图1所述的测试样机进行台架测试的俯视图；
23.图4示出图1所述的一维多体动力学模型的结构示意图；
24.图5示出工作温度对活塞材料性能的影响分析图；
25.图6示出图1所述的关键因子为配缸间隙时对敲击功率影响的趋势图。
26.其中，1-发动机；2-发动机外包络线；3a-前端麦克风；3b-右侧麦克风；
27.3c-顶部麦克风；3d-左侧麦克风；4-加速度传感器；5-测功机的传动轴；
28.11-活塞环；12-活塞销；13-活塞；14-缸套；15-连杆。
具体实施方式
29.以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
30.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
31.如图1所示，本技术实施例提供一种发动机活塞的敲击噪声优化方法，包括以下步骤s1～s6。下面结合附图2～图4对该敲击噪声优化方法进行说明。
32.步骤s1：根据预存的各机型敲击声能量数据库确定活塞的敲击声能量阈值及缸体的振动加速度阈值。
33.具体来说，预先准备多种机型的发动机测试样机，通过台架试验建立各机型的噪声数据库。对噪声数据库中未发生活塞敲击现象的多个噪声数据进行活塞敲击特征频段的声能量分析，以此设定活塞的敲击声能量阈值。根据理论声学建立声能量与振动加速度的关系，得到振动加速度阈值。
34.步骤s2：对测试样机进行台架测试，以获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度，如果敲击声能量大于敲击声能量阈值，则判断活塞发生敲击现象。
35.如图2和图3所示，对测试样机进行台架测试具体包括如下步骤：
36.步骤s21：将测试样机放置于半消声室，测试样机的轮系侧悬置、飞轮侧设置测功机传动轴，使用消声棉包裹进气高压管路和进气低压管路，并引出进气噪声和排气噪声；测试样机包括发电机和压缩机，不包括变速器。
37.步骤s22：在测试样机的发动机前端、左侧、顶部和右侧的各个外包络面的中心点的预设距离处分别设置麦克风3a～3d；其中，外包络面指的是：发动机处于安装姿态时(不包含空气滤清器及排气管)假想的一个包络发动机主要噪声辐射部位的最小矩形六面体，辐射噪声不大的个别零件的凸出部分可以不考虑。
38.另外，本实施例中，发动机前端、左侧、顶部和右侧的各个外包络面的中心点的预设距离为1米。
39.步骤s23：在活塞敲击发生对应的气缸外部布置加速度传感器；
40.步骤s24：将发动机的水温及油温上升到发动机正常工作时的温度；
41.步骤s25：将发动机稳定在活塞敲击发生的工况下后，采集噪声数据和振动加速度数据；
42.步骤s26：对采集的噪声数据和振动加速度数据进行频谱分析，通过能量积分法获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度。
43.测试时，针对活塞发生敲击现象的每个工况测试多组数据，例如3组数据，每组的测试时长不少于16秒。然后对采集的噪声数据和振动加速度数据进行频谱分析，得到活塞敲击声特征频段内的声能量和振动加速度。由此可以量化活塞敲击现象，快速准确锁定发动机活塞是否发生敲击现象。
44.步骤s3：建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型，包括相互配合的活塞环、活塞销、活塞、缸套及连杆，其中，活塞为柔性体，其通过弹性活塞径向刚度矩阵来表征，其余部件为刚性体。
45.如图4所示，一维多体动力学模型是一种简化模型，其包括相互配合的活塞环11(包括两道气环和一道油环)、活塞销12、活塞13、缸套14及连杆15，其中，活塞环11、塞销12、缸套14及连杆15均设置为刚性体，而活塞13设置为柔性体，通过弹性活塞径向刚度矩阵来表征。输入发动机的冲程及缸径，以及缸套14、活塞13、活塞销12、连杆15、活塞环11等各部件的几何尺寸、质量、惯量、精测的配缸间隙和粗糙度等信息。以在发动机设计开发阶段确定的气缸燃烧压力曲线作为动力学分析的激励，设定模拟控制参数，进行模型调试及仿真计算，分析活塞13在运动和受力中的变形。
46.步骤s4：将活塞发生敲击现象的工况作为边界条件输入至一维多体动力学模型。步骤s25中，将发动机稳定在活塞敲击发生的工况下后，还包括：测量气缸压力、活塞及缸套的工作温度、活塞与缸套之间的表面粗糙度、缸套设计型线及配缸间隙，以作为一维多体动力学模型的边界条件，如此可以保证仿真计算的精度。
47.步骤s5：选择多个优化设计参数，对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析，得到影响活塞敲击噪声的若干关键影响因子。
48.可选地，根据活塞敲击噪声的产生机理，选择相关的多个优化设计参数，多个优化设计参数至少包括：活塞的设计型线、活塞销偏移量、配缸间隙、缸套的设计型线、活塞重量、活塞惯量、活塞质心位置、活塞销重量、连杆重量、曲柄偏移量以及气缸压力。
49.活塞型线设计是活塞的一项关键技术，优秀的活塞型线设计是既能满足活塞可靠性和nvh要求，还能降低活塞摩擦损失。在发动机运行过程中，活塞传递燃气热量，受热膨胀产生热变形。为了设计并优化出性能一流的活塞型线，需要考虑活塞在工作状态的变形情况，反过来设计活塞的冷态型线。
50.本实施例中，活塞型线的模拟考虑了冷轮廓的径向偏差和热膨胀的影响。其中冷轮廓的径向偏差即活塞的设计型线，由图纸获取，热膨胀量根据活塞的工作温度和活塞的膨胀系数计算得到，活塞工作温度由台架试验测试获得。
51.缸套型线的模拟考虑了缸套的安装变形和热膨胀变形。缸套的安装变形由测试获得，热膨胀变形根据缸套的工作温度和缸套的热膨胀系数计算得到，缸套的工作温度由台架试验测试获得。
52.由于优化设计参数较多，每个优化参数对改善活塞敲击噪声的影响的大小不同，为了提高运算效率，快速精准地定位影响较大的优化设计参数，可以对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析，然后对各个单因子的灵敏度进行排序，得到灵敏度较高的若干关键影响因子，然后针对若干关键影响因子进行优化分析，减小运算工作量。
53.步骤s6：对若干关键影响因子开展全因子试验设计分析，选择敲击功率最小、且振动加速度小于振动加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。
54.关键影响因子一般为容易实施、设计变动成本最小的优化设计参数，例如，本实施例中的关键影响因子可以为配缸间隙、活塞的设计型线、活塞销偏移量等。
55.全因子试验设计(designof experiment，简称doe)分析是将每一个关键影响因子的不同水平组合做同样数目的仿真分析，通过对多参数多因子进行doe分析，确保优化一次合格，减少实物迭代验证次数，缩短开发周期，降低开发验证成本，有效提升了产品开发效率。本实施例以敲击功率最小为目标，对配缸间隙、活塞的设计型线、活塞销偏移量等关键影响因子进行doe分析，可以得到一组参数组合作为优化方案。其中敲击功率最小，对应的振动加速度也是最小的，但需要保证振动加速度小于振动加速度阈值，才可以作为最终的优化方案。
56.根据本技术实施例提供的活塞敲击噪声的优化方法，通过在发动机设计开发阶段，建立了活塞敲击现象与测试数据之间的对应关系，确定活塞敲击声特征频段内的声能量阈值和振动加速度阈值，量化活塞敲击现象，快速准确锁定活塞敲击问题；建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型，考虑工作温度对活塞的运动和受力状态的影响，利用测试数据对仿真模型进行充分标定，确保仿真精度；对各种优化设计参数进行灵敏度分析，通过仿真模型进行多参数多因子的试验设计分析，以筛选最优方案组合，确保各敏感因子的交互作用被纳入设计系统；由此，通过仿真分析可以复现活塞敲击过程，指导活塞参数的优化设计，从而快速、准确锁定并优化活塞敲击现象，降低活塞敲击声水平，提升车内声品质。
57.在一些实施例中，步骤s3，建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型中，活塞为柔性体，其通过弹性活塞径向刚度矩阵来表征，弹性活塞径向刚度矩阵的计算方法包括：
58.步骤s31：建立活塞的有限元分析模型；
59.步骤s32：在有限元分析模型中施加温度场及力载荷，温度场由活塞发生敲击现象的工况确定；
60.步骤s33：利用对称边界条件计算活塞的热变形，以得到弹性活塞径向刚度矩阵。
61.如图4所示，活塞13的材料一般为铝合金，线膨胀系数大，热变形受温度影响较大。而活塞13的裙部径向刚度受裙部壁厚和内腔形状控制，对活塞13与缸套14之间的接触有着重要的影响。如图5所示，示出了工作温度对活塞13的弹性模量和热膨胀系数的非线性影响，可以看出，弹性模量随着工作温度的上升而逐渐变小，且工作温度超过200℃后，弹性模量的下降量也变大。热膨胀系数在工作温度小于150℃之前变化较缓慢，而工作温度超过150℃后，热膨胀系数急剧变大，发生比较明显的变化。因此，为了充分考虑温度对活塞13的径向刚度的影响，在有限元模型中同时加载温度场和力载荷，利用对称边界条件，求解活塞的热变形，进而得到工作温度下的弹性活塞刚度矩阵。
62.在一些实施例中，步骤s5，对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析、得到影响活塞敲击噪声的若干关键影响因子包括：
63.步骤s51：利用一维多体动力学模型计算各优化设计参数对应的敲击功率；
64.步骤s52：根据敲击功率的大小对各优化设计参数的灵敏度进行排序，得到敏感度较高的若干个关键影响因子；
65.步骤s53：为每个关键影响因子设置多个水平数，利用一维多体动力学模型计算关键影响因子的各水平数对应的敲击功率；
66.步骤s54：将计算结果连成曲线，选择曲线斜率较大且具有可实施性的区间作为优化设计参数的工程化经济区间。
67.本实施例中，首先利用一维多体动力学模型计算各优化设计参数对应的敲击功率，根据敲击功率的大小对各优化设计参数的灵敏度进行排序，得到敏感度较高的若干个关键影响因子。然后为每个关键影响因子在设计范围内设置多个水平数(包含原设计方案)，利用一维多体动力学模型计算出各水平数对敲击噪声的影响规律，然后筛选出最优方案组合，确保各个影响因子的交互作用被纳入设计系统。
68.如表1所示，按照灵敏度高低排序列出了多个关键影响因子：配缸间隙、活塞销偏移量、曲柄偏移量、活塞设计型线等，每个关键影响因子分别设置了至少6个水平数，其中虚线框中的数据为原设计方案的数据，然后利用一维多体动力学模型计算出各水平数对敲击噪声的影响规律。
69.表1
[0070][0071]
下面以配缸间隙作为关键影响因子，分析其各水平数对敲击噪声的影响规律。首先利用一维多体动力学模型计算配缸间隙的各水平数对应的敲击功率，然后将各个计算结
果连成曲线，根据斜率判断各水平数对敲击噪声的灵敏度。曲线的斜率越大，说明该关键因子的改变对结果的影响大，对其进行优化才可能产生明显的改善，灵敏度越高。
[0072]
从图6可以看出，配缸间隙在22μm～34μm时的灵敏度最高，将曲线划分为3个区间，其中区间1的斜率最大，并且敲击功率的幅值较小，理论上配缸间隙在该区间1取值的优化效果会比较好。但由于配缸间隙过小会急剧增大摩擦，进而影响发动机的热效率。因此，选择区间3作为工程化经济区间进行进一步优化设计。再次优化时，可以将原方案的配缸间隙为36μm调整至30μm～34μm范围内进行取值。
[0073]
进一步地，步骤s6中，对关键影响因子开展全因子doe分析中，全因子试验设计仿真分析的次数至少为e k
次，其中，k为关键影响因子的数量，e为每个关键影响因子的水平数的数量，且k＝3～5，e≥3。
[0074]
为了全面分析关键影响因子对敲击噪声的影响规律，精准确定其工程化经济区间，可以从关键影响因子中选择最容易实施、设计变化成本最小的3个关键影响因子进行doe全因子仿真设计。如表2所示，每个关键影响因子的水平数设置为3个，则一共产生27种方案组合。利用一维多体动力学模型对该27组方案进行分析计算，得到敲击功率。从27组敲击功率的结果中挑选出敲击功率最小、且振动加速度小于振动加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。
[0075]
在计算时间和计算资源满足的情况下，可以对更多挑选出来的关键影响因子做全因子doe分析，水平数也可以设计成更多，比如5个关键影响因子、每个关键影响因子设置6个水平数，一共做7776次分析，水平数越多，优化方案设计越精准，优化效果越好。
[0076]
表2
[0077][0078]
在一些实施例中，敲击噪声优化方法还包括：
[0079]
步骤s7：建立测试样机的三维实体动力学模型，将优化方案输入至三维实体动力学模型中进行标定，验证优化方案对活塞敲击现象的改善情况。如此可以减少实物验证次数，降低验证成本，提高验证效率。
[0080]
进一步，步骤s7中，建立测试样机的三维实体动力学模型包括：
[0081]
步骤s71：建立测试样机各部件的有限元模型，并对有限元模型进行子模态缩减，以获取表征结构固有特征的质量矩阵和刚度矩阵；
[0082]
步骤s72：将质量矩阵和刚度矩阵作为三维实体动力学模型的输入文件。
[0083]
三维实体动力学模型与测试样机尽量保持一致，其包括缸体、缸套、活塞、活塞销、
连杆和曲轴的各个几何参数和结构参数，将发动机冲程、缸径及精测的配缸间隙、表面粗糙度等参数对三维实体动力学模型进行标定。为了真实模拟测试样机，建立缸体、缸套、活塞、活塞销、连杆、曲轴的有限元模型，并对有限元模型进行子模态缩减，来获取表征结构固有特征的质量矩阵和刚度矩阵，作为三维实体动力学模型的输入文件，其中缸套的热态轮廓和活塞的热态轮廓需要在模型中体现。
[0084]
以在发动机设计开发阶段确定的气缸燃烧压力曲线作为动力学分析的激励，设定模拟控制参数，进行模型调试及仿真计算，得到振动加速度数据，并与台架测试的振动加速度数据进行比较，检验仿真精度是否满足要求。仿真模型中加速度的提取位置必须与台架试验测试的位置保持一致。如果仿真精度低于90％，需要对三维实体动力学模型进行进一步标定，比如微调材料参数等，以确保仿真分析的试验误差小于10％。若计算出的缸体振动加速度小于振动加速度阈值，则优化成功，否则需要进一步通过一维多体动力学模型进行更优方案的筛选。
[0085]
在一些实施例中，敲击噪声优化方法还包括：
[0086]
步骤s8：对活塞冷却喷嘴的喷油压力进行优化设计，分析活塞与缸套的表面粗糙度及润滑油粘度对敲击噪声的影响。由于活塞与缸套之间的接触面为非强制润滑，存在一个初始油膜厚度。当初始油膜厚度小于临界值时，润滑情况急剧恶化，导致严重的活塞敲击声和可靠性问题，无法满足设计需求。为此，本技术实施例针对活塞冷却喷嘴(piston cooling jet，简称pcj)的喷油压力进行优化设计，从而可以为发动机提供更加可靠的设计参数，进一步改善活塞敲击噪声问题。
[0087]
具体来说，步骤s8中，对活塞冷却喷嘴的喷油压力进行优化设计包括：
[0088]
步骤s81：获取测试样机的活塞与缸套之间的接触面润滑良好时对应的油膜临界值；
[0089]
步骤s82：利用三维实体动力学模型计算活塞与缸套之间的初始油膜厚度；
[0090]
步骤s83：如果初始油膜厚度大于油膜临界值，则根据油膜临界值反向推导活塞冷却喷嘴的喷油压力。
[0091]
本实施例中，利用三维实体动力学模型计算初始油膜厚度，根据测试样机润滑良好对应的油膜临界值，反推pcj的喷油压力需求，对pcj的喷油策略进行优化设计，如此可以复现活塞敲击过程，指导活塞的设计参数优化，确保优化一次合格，降低试验成本和缩短开发周期。
[0092]
进一步，敲击噪声优化方法还包括：
[0093]
步骤s9：根据优化后的各参数再次制作测试样机进行台架测试，验证活塞敲击现象是否改善。
[0094]
由于建立了精准的仿真模型对设计参数进行优选，本技术实施例对活塞敲击噪声的优化可以较少的次数优化成功，从而可以在设计阶段就能够评估和优化发动机活塞的敲击噪声水平、提高车内声品质，能够更好地应用于指导产品设计。与相关技术中活塞敲击噪声试验需要反复调整修改、耗时长达两个月到一年相比，本技术不仅优化设计参数全面，还节省了人力、物力和问题整改时间，整个仿真优化到样件制作、方案验证完成用时仅需1个月左右，验证效率提高了至少2倍。
[0095]
另外，本技术实施例还提供一种发动机，该发动机的各部件按照如前所述的发动
机活塞的敲击噪声优化方法中的优化方案设计。
[0096]
由于在发动机设计开发阶段，建立了活塞敲击现象与测试数据之间的对应关系，确定活塞敲击声特征频段内的声能量阈值和振动加速度阈值，量化活塞敲击现象，快速准确锁定活塞敲击问题；建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型，考虑工作温度对活塞的运动和受力状态的影响，利用测试数据对仿真模型进行充分标定，确保仿真精度；对各种优化设计参数进行灵敏度分析，通过仿真模型进行多参数多因子的试验设计分析，以筛选最优方案组合，确保各敏感因子的交互作用被纳入设计系统；由此，通过仿真分析可以复现活塞敲击过程，指导活塞参数的优化设计，从而快速、准确锁定并优化活塞敲击现象，降低活塞敲击声水平，提升车内声品质。
[0097]
应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
[0098]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0099]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种发动机活塞的敲击噪声优化方法，其特征在于，包括：根据预存的各机型敲击声能量数据库确定活塞的敲击声能量阈值及缸体的振动加速度阈值；对测试样机进行台架测试，以获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度，如果所述敲击声能量大于所述敲击声能量阈值，则判断活塞发生敲击现象；建立活塞敲击噪声的一维多体动力学模型，包括相互配合的活塞环、活塞销、活塞、缸套及连杆，其中，所述活塞为柔性体，其通过弹性活塞径向刚度矩阵来表征，其余部件为刚性体；将活塞发生敲击现象的工况作为边界条件输入至所述一维多体动力学模型；选择多个优化设计参数，对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析，得到影响活塞敲击噪声的若干关键影响因子；对所述若干关键影响因子开展全因子试验设计分析，选择敲击功率最小、且振动加速度小于所述振动加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。2.根据权利要求1所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述弹性活塞径向刚度矩阵的计算方法包括：建立活塞的有限元分析模型；在所述有限元分析模型中施加温度场及力载荷，所述温度场由所述活塞发生敲击现象的工况确定；利用对称边界条件计算活塞的热变形，以得到所述弹性活塞径向刚度矩阵。3.根据权利要求1所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述多个优化设计参数至少包括：活塞的设计型线、活塞销偏移量、配缸间隙、缸套的设计型线、活塞重量、活塞惯量、活塞质心位置、活塞销重量、连杆重量、曲柄偏移量以及气缸压力。4.根据权利要求1所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析、得到影响活塞敲击噪声的关键影响因子包括：利用所述一维多体动力学模型计算各优化设计参数对应的敲击功率；根据所述敲击功率的大小对各优化设计参数的灵敏度进行排序，得到敏感度较高的若干个关键影响因子；为每个所述关键影响因子设置多个水平数，利用所述一维多体动力学模型计算所述关键影响因子的各水平数对应的敲击功率；将计算结果连成曲线，选择曲线斜率较大且具有可实施性的区间作为优化设计参数的工程化经济区间。5.根据权利要求4所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述对所述关键影响因子开展全因子试验设计分析中，全因子试验设计仿真分析的次数至少为e k
次，其中，k为所述关键影响因子的数量，e为每个所述关键影响因子的水平数的数量，且k＝3～5，e≥3。6.根据权利要求1所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述对测试样机进行台架测试、以获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度包括：将测试样机放置于半消声室，所述测试样机的轮系侧悬置、飞轮侧设置测功机传动轴，使用消声棉包裹进气高压管路和进气低压管路，并引出进气噪声和排气噪声；在所述测试样机的发动机的前端、左侧、顶部和右侧的各个外包络面的中心点的预设
距离处分别设置麦克风；在活塞敲击发生对应的气缸外部布置加速度传感器；将所述发动机的水温及油温上升到发动机正常工作时的温度；将所述发动机稳定在活塞敲击发生的工况下后，采集噪声数据和振动加速度数据；对采集的噪声数据和振动加速度数据进行频谱分析，通过能量积分法获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度。7.根据权利要求6所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述将所述发动机稳定在活塞敲击发生的工况下后，还包括：测量气缸压力、活塞及缸套的工作温度、活塞与缸套之间的表面粗糙度、缸套设计型线及配缸间隙，以作为所述一维多体动力学模型的边界条件。8.根据权利要求1所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，还包括：建立测试样机的三维实体动力学模型，将所述优化方案输入至所述三维实体动力学模型中进行标定，验证所述优化方案对活塞敲击现象的改善情况。9.根据权利要求8所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述建立测试样机的三维实体动力学模型包括：建立测试样机各部件的有限元模型，并对有限元模型进行子模态缩减，以获取表征结构固有特征的质量矩阵和刚度矩阵；将所述质量矩阵和所述刚度矩阵作为所述三维实体动力学模型的输入文件。10.根据权利要求8所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，还包括：对活塞冷却喷嘴的喷油压力进行优化设计，分析活塞与缸套的表面粗糙度及润滑油粘度对敲击噪声的影响。11.根据权利要求10所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，所述对活塞冷却喷嘴的喷油压力进行优化设计包括：获取测试样机的活塞与缸套之间的接触面润滑良好时对应的油膜临界值；利用所述三维实体动力学模型计算所述活塞与所述缸套之间的初始油膜厚度；如果所述初始油膜厚度大于所述油膜临界值，则根据所述油膜临界值反向推导活塞冷却喷嘴的喷油压力。12.根据权利要求10所述的敲击噪声优化方法，其特征在于，还包括：根据优化后的各参数再次制作测试样机进行台架测试，验证活塞敲击现象是否改善。13.一种发动机，其特征在于，所述发动机的各部件按照如权利要求1至12任一项所述的发动机活塞的敲击噪声优化方法中的优化方案设计。

技术总结
本申请涉及发动机NVH分析技术领域，具体涉及发动机活塞的敲击噪声优化方法及发动机，敲击噪声优化方法包括：根据预存的各机型敲击声能量数据库确定活塞的敲击声能量阈值及缸体的振动加速度阈值；对测试样机进行台架测试，以获取活塞敲击特征频段的敲击声能量及缸体的振动加速度；建立测试样机的一维多体动力学模型；将活塞发生敲击现象的工况作为边界条件输入至一维多体动力学模型；选择多个优化设计参数，对每个优化设计参数进行单因子灵敏度分析，得到影响活塞敲击噪声的若干关键影响因子；对若干关键影响因子开展全因子试验设计分析，选择敲击功率最小、且振动加速度小于振动加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。加速度阈值的一组参数组合作为优化方案。


技术研发人员：张勇 李凤琴 张松波 饶思梁 孔德芳
受保护的技术使用者：重庆长安汽车股份有限公司
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/12