CN118225443A - 一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法及装置。通过全虚拟仿真开发，实现平衡轴系统布置、匹配、评价和优化，在实物验证之前对发动机平衡轴系统的齿轮敲击噪声进行改善和规避，降低发动机声压级，提升车内声品质，为发动机平衡轴系统设计提供依据。该评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，包括：建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置；结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声；按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

Description

一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法及装置

技术领域

本发明专利属于汽车NVH技术领域，具体涉及一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法及装置。

背景技术

随着人们对美好生活的追求，汽车用户对乘坐舒适性的要求越来越高。NVH性能已经成为人们评价汽车的关键指标之一。直列四缸发动机的1阶往复惯性力能通过自身的结构平衡，但二阶往复惯性力无法自平衡，是发动机振动和噪声的重要激励源之一。安装双平衡轴是各大主机厂最常用的降低四缸机二阶往复惯性力的方法。然而，平衡轴在降低发动机二阶振动噪声的同时，系统中的齿轮副又会发出严重的高频敲击噪声，并且这种噪声极易被用户识别感知，严重影响用户体验，成为用户抱怨的新焦点，影响售后成本和品牌形象。

因平衡轴系统安装在发动机内部，通常在曲轴上安装驱动齿轮进行驱动，常规的振动噪声测试无法检测内部激励，仅能测试外部响应。测试方面对平衡轴齿轮敲击的识别主要通过台架振动噪声测试及主观评价，对疑似平衡轴敲击噪声的信号进行小波分析及相位分析，间接锁定为平衡轴敲击，然后针对问题进行调校整改。解决周期从两三个月到一两年不等，费时、费力、费钱。针对平衡轴齿轮敲击噪声的虚拟技术，也大多集中于平衡轴系统本身，通过测试发现问题，再通过仿真复现问题并提出针对平衡轴系统本身的优化方案，由于暴露问题晚，受工艺、成本、样件周期等影响，提出的优化方案很多时候并不能被采纳，很难有足够的时间去形成性能好、成本低的可实施方案。然而快节奏的项目开发要求急需一种快捷有效的平衡轴齿轮敲击噪声预测和优化方法，在实物验证之前进行问题规避，提高产品开发效率，降低开发成本，为良好的整车声品质提供保证。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法及装置。通过全虚拟仿真开发，实现平衡轴系统布置、匹配、评价和优化，在实物验证之前对发动机平衡轴系统的齿轮敲击噪声进行改善和规避，降低发动机声压级，提升车内声品质，为发动机平衡轴系统设计提供依据。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，包括：

S1、建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置；

S2、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声；

S3、按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，步骤S1包括：

S11、获取预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构；

S12、根据预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构，建立发动机的曲轴系多体动力学模型；

S13、基于发动机的曲轴系多体动力学模型的动力学分析结果，提取曲轴上预设关键位置的扭振结果；

S14、在满足空间布置的情况下，从多个预设关键位置中选择一个扭振振幅最小的位置作为平衡轴驱动齿轮的安装位置。

优选地，步骤S13中，曲轴上预设关键位置的扭振结果是指曲轴上预设关键位置的角加速度结果；

曲轴上预设关键位置包括：曲轴前端、各曲柄臂和曲轴后端。

优选地，步骤S2包括：

步骤S21、获取发动机的详细参数和几何模型；

步骤S22、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机三维多体动力学模型，向发动机三维多体动力学模型输入外部激励，得到发动机的动态响应；

步骤S23、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机声学模型，以发动机的一部分动态响应作为发动机声学模型的激励，并向发动机声学模型输入外部激励，得到发动机辐射噪声；

其中，步骤S22中得到的另一部分动态响应和步骤S23中得到的发动机辐射噪声作为所预测的平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，步骤S22中，向发动机三维多体动力学模型输入的外部激励包括：燃气压力、气门落座力、气门弹簧力、凸轮轴承力和正时系统激励力；

步骤S22中，得到发动机的动态响应包括：驱动轴和被驱动轴的转速差、齿轮啮合力、平衡轴箱体振动加速度、机油盘表面振动速度、主轴承力、活塞侧向力和平衡轴轴承力；

步骤S23中，以主轴承力、活塞侧向力、平衡轴轴承力以及外部输入的凸轮轴轴承力和气门落座力作为发动机声学模型的激励。

优选地，步骤S3包括：

S31、根据驱动轴和被驱动轴的转速差是否超过预设转速差，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S32、若S31确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据齿轮啮合力提取平衡轴齿轮啮合时的敲击力以及敲击频率；再根据平衡轴齿轮啮合时的敲击力是否超过预设敲击力，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S33、若S32确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S34、若S33确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S35、若S34确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，对发动机辐射噪声进行频率分析；再根据发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，若驱动轴和被驱动轴的转速差超过预设转速差、平衡轴齿轮啮合时的敲击力超过预设敲击力、平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有峰值、机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有峰值且发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有峰值，确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法还包括：

S4、从引起平衡轴齿轮敲击噪声的噪声激励源、噪声传递路径和系统响应进行优化，直至平衡轴齿轮敲击噪声合格。

另一方面，本发明还提供了一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，包括：

安装位置确定模块，用于建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置；

敲击噪声预测模块，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声；

敲击噪声评价模块，用于按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，安装位置确定模块包括：

第一参数获取单元，用于获取预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构；

曲轴系多体动力学模型建立单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置、预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构，建立发动机的曲轴系多体动力学模型；

关键位置扭振提取单元，用于基于发动机的曲轴系多体动力学模型的动力学分析结果，提取曲轴上预设关键位置的扭振结果；

安装位置确定单元，用于在满足空间布置的情况下，从多个预设关键位置中选择一个扭振振幅最小的位置作为平衡轴驱动齿轮的安装位置。

优选地，敲击噪声预测模块包括：

第二参数获取单元，用于获取发动机的详细参数和几何模型；

发动机动力学分析单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机三维多体动力学模型，向发动机三维多体动力学模型输入外部激励，得到发动机的动态响应；

发动机辐射噪声分析单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机声学模型，以发动机的一部分动态响应作为发动机声学模型的激励，并向发动机声学模型输入外部激励，得到发动机辐射噪声；

其中，得到的发动机的另一部分动态响应和得到的发动机辐射噪声作为所预测的平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，向发动机三维多体动力学模型输入的外部激励包括：燃气压力、气门落座力、气门弹簧力、凸轮轴承力和正时系统激励力；

得到发动机的动态响应包括：驱动轴和被驱动轴的转速差、齿轮啮合力、平衡轴箱体振动加速度、机油盘表面振动速度、主轴承力、活塞侧向力和平衡轴轴承力；

以主轴承力、活塞侧向力、平衡轴轴承力以及外部输入的凸轮轴轴承力和气门落座力作为发动机声学模型的激励。

优选地，敲击噪声评价模块包括：

第一识别单元，用于根据驱动轴和被驱动轴的转速差是否超过预设转速差，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第二识别单元，用于若第一识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据齿轮啮合力提取平衡轴齿轮啮合时的敲击力以及敲击频率；再根据平衡轴齿轮啮合时的敲击力是否超过预设敲击力，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第三识别单元，用于若第二识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第四识别单元，用于若第三识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第五识别单元，用于若第四识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，对发动机辐射噪声进行频率分析；再根据发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。与现有的技术相比，本发明的有益效果至少为：

(1)全虚拟仿真分析，可以在完全没有实物的情况下预测平衡轴齿轮敲击噪声，将问题暴露时间至少提前半年；

(2)全虚拟仿真分析，可以在完全没有实物的情况下通过预测暴露问题并进行优化，减少实物阶段的问题整改，降低问题整改的时间、人力、测试成本。

(3)在发动机设计早期参与平衡轴布置设计，选择敲击噪声小的位置，可以事半功倍。

(4)建立包含平衡轴系统、曲轴系统、机体等在内的全发动机多柔性体动力学模型，充分考虑安装边界实时载荷、变形等带来的影响，以及发动机与平衡轴系统双向耦合效应，提高仿真的正确性；

(5)基于主被动齿轮的转速跟随性-齿轮敲击力指标，可以定量评价不同转速下的敲击源头的NVH水平，评价过程简单；

(6)对比有无平衡轴激励的平衡轴箱体振动加速度和机油盘表面法向振动速度的差异，可以定量评价不同转速下的敲击影响程度，评价结果准确可靠且直观；可以为平衡轴的齿轮敲击问题分析和优化提供依据。

(7)形成了源-路径-响应的评价与优化流程，保证优化效果。

本发明在设计阶段就可以预测和优化发动机平衡轴齿轮敲击噪声水平、提高发动机声品质，指导产品设计。

附图说明

本申请可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的评价及优化发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的步骤S1的流程示意图；

图4为曲轴上典型的平衡轴驱动齿轮安装位置；

图5为本申请实施例提供的不同曲轴位置上角加速度示意图；

图6为本申请实施例提供的步骤S2的示意图；

图7为本申请实施例提供的步骤S3的示意图；

图8为本申请实施例提供的步骤S4的示意图；

图9为本申请实施例提供的平衡轴驱动轴与被驱动轴转速波动预测结果示意图；

图10为本申请实施例提供的平衡轴齿轮敲击力预测结果示意图；

图11为本申请实施例提供的平衡轴箱体振动加速度预测频谱结果示意图；

图12为本申请实施例提供的优化前后平衡轴齿轮敲击噪声对应频段的机油盘振动速度级预测结果示意图；

图13为本申请实施例提供的优化前后平衡轴齿轮敲击噪声对应频段的1米声压级频谱示意图；

图14为本申请实施例提供的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明，需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

请参照图1，本申请实施例中提供了一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，该方法的各步骤可以由电子设备实现，或者由电子设备配合人工操作实现。其中，评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法可以包括如下步骤：

步骤S1，建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置。

步骤S2，结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声。

步骤S3，按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

步骤S4，从引起平衡轴齿轮敲击噪声的噪声源、噪声传递路径和噪声响应点进行优化，直至平衡轴齿轮敲击噪声合格。

下面将对低齿轮敲击噪声的平衡轴虚拟开发方法的各步骤进行详细阐述，如下：

请参照图3，平衡轴驱动齿轮安装位置根据曲轴上各部位扭振大小和曲轴箱空间布置情况确定，可以包括如下步骤：

步骤S11、获取预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构。

发动机参数包括缸径、行程、冲程数、点火顺序等。

曲轴系结构包括活塞组、连杆组、曲轴、曲轴前端的TVD（或者皮带轮）、曲轴后端的飞轮以及与飞轮固连的零件。

步骤S12、根据预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构，建立发动机的曲轴系多体动力学模型。

用于曲轴扭振计算的曲轴系多体动力学模型宜采用简化的1维参数化模型，输入参数少、计算速度快。

其中活塞组、连杆组采用刚性体建模，每个零件可以简化为单个质量点，曲轴则采用多自由度柔性体建模，将其离散成轴段，包括主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂、平衡重等。动力学模型中需要输入发动机参数和各零部件及离散后的尺寸、重量、惯量、刚度等信息。

传统上结构的惯量、刚度计算均采用经验公式法。由于曲轴形状较复杂，本实施例借助三维建模软件Pro/E，方便地计算出曲轴各部分的质量和惯量。采用有限元分析方法，精准计算出曲轴各部分的扭转刚度。

步骤S13、基于发动机的曲轴系多体动力学模型的动力学分析结果，提取曲轴上预设关键位置的扭振结果。

请参照图4，曲轴1上的预设关键位置指曲轴前端（即皮带轮2与第一轴承之间）11、各曲柄臂12、曲轴后端（即曲轴的第五轴颈与飞轮4之间）13，具体位置在曲轴回转中心，分别提取这些位置的角加速度结果作为扭振评价依据。

步骤S14、在满足空间布置的情况下，从多个预设关键位置中选择一个扭振振幅最小的位置作为平衡轴驱动齿轮的安装位置。

可以降低发动机对平衡轴系统的激励，从而减小齿轮敲击噪声。

请参照图5，展示了曲轴上不同位置的角加速度。通过尽量选择角加速度幅值小的位置安装平衡轴驱动齿轮，可以降低来自曲轴对平衡轴系统的激励，从而减小平衡轴齿轮敲击噪声。

此外，平衡轴驱动齿轮的安装位置与正时系统布置、机油泵布置、缸体结构等密切相关，与平衡轴箱体本身的结构设计也有关。因此，平衡轴驱动齿轮的安装位置还需要结合空间布置情况综合考虑。同时，平衡轴驱动位置的选择，还需要考虑工艺、装配等方面的因素。既保证扭振不能过大，又保证布置合适。

请参照图6，平衡轴齿轮敲击噪声的仿真预测采用三维多体动力学和声学仿真分析相结合的方法，前述的步骤S2包括如下步骤：

步骤S21、获取发动机的详细参数和几何模型。

步骤S21中发动机及各系统的详细参数和几何模型包含发动机的所有参数和模型，包含但不限于发动机主要的结构件和运动机构，即：缸体、缸盖、缸盖罩、机油盘、正时罩、进气歧管总成、排气热端结构、曲柄连杆机构、平衡轴系统等。

步骤S22、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机三维多体动力学模型，向发动机三维多体动力学模型输入外部激励，得到发动机的动态响应。

步骤S22中的发动机三维多体动力学模型，采用多柔性体和详细的轴承、齿轮连接副建模。

柔性体模型包含曲轴、平衡轴和发动机结构总成。

曲轴和平衡轴采用有限元建模，再通过模态缩减法得到质量矩阵、刚度矩阵，进一步导入动力学模型。

本方法可以考虑由于曲轴和平衡轴的弯曲变形、伸缩变形等造成的载荷分布不均、轴心动态偏移等。为了得到真实的动力学结果，轴系的各个零部件必须具有准确的质量、转动惯量和刚度，因此在生成网格时，需尽量减少对各零部件特征的简化，即使有简化部分，也将质量、质心及转动惯量调到与实际吻合，并且保证刚度一致性。

发动机结构总成由平衡轴箱体、缸体、缸盖、缸盖罩、机油盘、正时罩、进气歧管总成、排气热端总成。

同样，发动机主要的结构件也采用有限元建模，然后通过模态缩减法得到质量矩阵、刚度矩阵等，再将缩减后的主节点的几何、自由度、刚度和质量等信息导入动力学模型。有限元模型包括动力总成（发动机和变速器）所有零部件。重要、关注零部件采用有限元网格，单元类型采用二阶四面体、六面体和壳单元，部分小尺寸及非关注零部件简化为质量点，添加质量和转动惯量。模型中坐标系定义如下：

（1）全局坐标系1：设定沿曲轴由前端轮系指向飞轮为X轴，沿缸心线由油底壳指向缸盖罩为Z轴，根据右手定则确定Y轴。坐标原点为曲轴第三主轴颈中心。

（2）机油盘局部坐标系2：与台架试验坐标系相同，用于机油盘结果数据读取以及与试验结果对比，设定沿曲轴由飞轮指向前端轮系为X轴，垂直地面向上为Z轴，根据右手定则确定Y轴。

（3）两个坐标系Z轴夹角即为发动机安装角度，X方向相反，Y方向相同。

动力学模型中，各零部件间存在多处非线性连接副，包括平衡轴与平衡轴箱体的滑动轴承连接、平衡轴驱动齿轮与从动齿轮的齿轮啮合连接、双平衡轴之间的齿轮连接、曲轴与缸体的轴承连接、曲轴与连杆的轴承连接、活塞与缸套的导向轴承连接等。

平衡轴与平衡轴箱体连接的滑动轴承，采用详细的考虑动力润滑的轴承模型，充分考虑油膜非线性支撑刚度和粗糙接触下的油膜非线性特点。

平衡轴单元中齿轮连接副采用详细建模方法，输入准确的设计参数信息，同时考虑齿轮的加工及修形参数。更佳地，建立柔性齿轮模型，可以更加真实地接近于实际齿轮的啮合。使用柔性齿轮可以考虑齿轮的弯曲、变形等对齿轮啮合的影响，提升仿真精度。

动力学模型中，导入的外部载荷包括燃气压力、气门落座力、气门弹簧力、凸轮轴承力、正时系统激励力等。载荷信息的准确性十分重要，这直接影响到最终计算结果的准确性。一般来说，输入的载荷信息尽量使用试验结果，对于不能直接测量的载荷（如气门落座力）可通过精确的仿真分析得到。本实施例中，除燃气压力来自于试验外，其它载荷都来自于各子系统仿真分析。

动力学模型中还需要考虑平衡轴负载。平衡轴负载是指所有能够使平衡轴转速下降的阻力矩的合力矩。

如果机油泵是通过平衡轴驱动的，则动力学模型中需要加载机油泵负载并考虑机油泵转子转动惯量。

通过动力学模型，可以计算发动机动态响应，包括驱动轴和被驱动轴的转速差、齿轮啮合力、平衡轴箱体振动加速度、机油盘表面振动速度、主轴承力、活塞侧向力和平衡轴轴承力等。

步骤S23、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机声学模型，以发动机的一部分动态响应作为发动机声学模型的激励，并向发动机声学模型输入外部激励，得到发动机辐射噪声。

发动机声学模型的激励从S22计算的动态响应结果中提取，包括主轴承力、活塞侧向力、平衡轴轴承力以及外部输入的凸轮轴轴承力、气门落座力等运动零件对非运动零件的力。

请参照图7，基于“源-路径-响应”的NVH分析方法逐一分析，形成对平衡轴齿轮敲击噪声的判断和评价“五步法”，即：齿轮转速跟随性→齿轮啮合力→平衡轴箱体振动→机油盘壳体振动→一米声压级。前述的步骤S3包括如下步骤：

步骤S31、计算并评价驱动轴转速与被驱动轴转速跟随性。具体为，提取驱动轴转速与被驱动轴转速，并计算驱动轴与被驱动轴的转速差。若转速差小于预设值，则满足要求，否则需要通过S32进一步分析是否需要优化。

步骤S32、计算并评价齿轮敲击力。具体为，提取平衡轴齿轮啮合时的敲击力并分析敲击频率。若平衡轴齿轮啮合时的敲击力小于预设值，则满足要求，否则需要通过S33进一步分析。

步骤S33、计算并评价平衡轴箱体振动。具体为，提取平衡轴箱体振动加速度。若平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内并无峰值且小于预设值，则满足要求，否则需要通过S34进一步分析。

步骤S34、计算并评价机油盘壳体振动。具体为，提取机油盘表面振动速度并进行频域分析。若机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内并无峰值且小于预设值，则满足要求，否则需要通过S35进一步分析。

步骤S35、计算并评价发动机辐射噪声。具体为，计算发动机辐射噪声并进行频域分析。若在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内并无噪声峰值且小于预设值，则满足要求。若辐射噪声存在峰值且超过预设值，同时峰值频段与平衡轴齿轮敲击频段重合，则需要对平衡轴敲击噪声进行优化分析。

步骤S31与S32从齿轮激励源对敲击噪声进行评价，步骤S33与S34从振动噪声传递路径上进行评价，步骤S35从系统响应角度进行评价，形成了噪声激励源-噪声传递路径-系统响应的全虚拟预测与评价流程。

参照图2，在执行上述步骤S1-S3之后，本实施例的上述方法还包括：

S4、从引起平衡轴齿轮敲击噪声的噪声激励源、噪声传递路径和噪声响应点进行优化，直至平衡轴齿轮敲击噪声合格。

请参照图8，针对平衡轴齿轮敲击噪声问题，基于“噪声激励源-噪声传递路径-系统响应”的NVH分析方法逐一分析具体原因并制定优化措施，直到合格。前述的步骤S4可以包括如下步骤：

步骤S41、控制振动噪声源。可以考虑直接降低平衡轴齿轮敲击力。包括但不限于选取扭振更小的位置安装驱动齿轮、选择更合理的齿轮侧隙、设计更合理的平衡轴结构、优化齿轮型线、更换润滑油等措施。

步骤S42、改善振动特性。找出共振点，避免因零件装配后产生共振。具体包括但不限于对平衡轴箱体、机油盘、悬置支架等进行模态分析，判断是否存在敲击噪声频段的共振频率，通过设计更合理的轴承支撑、箱体结构、机油盘结构、悬置支架结构等避开共振，改善振动。

步骤S43、切断敲击噪声传递的路径。在噪声传播途径中采取吸声、隔音、消声、减弱等措施，达到降低噪声的目的，具体包括但不限于包裹敲击噪声主要辐射面（机油盘以及缸体）、增加整车声包等措施。

可以采用步骤S41、S42、S43中任何一种措施，也可以多种措施相结合的方式进行优化，保证方案的有效性和可实施性。

请结合参照图9-13，为本实施例的计算结果，从结果中可以识别和判断平衡轴齿轮敲击噪声，利用步骤S41、S42、S43优化以后，可以从图12和13看到优化效果明显。在图13中，方案1为原方案，方案2为优化方案。

本实施例上述，除了用于平衡轴系统全虚拟开发，也可以用在样车样机阶段暴露的平衡轴齿轮敲击问题解决过程中，步骤S3与S4相结合，可以非常方便地排除非关键因素，找到问题根源。

如图14，另一方面，本发明实施例还提供了一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，包括：

安装位置确定模块101，用于建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置；

敲击噪声预测模块102，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声；

敲击噪声评价模块103，用于按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，安装位置确定模块101包括：

第一参数获取单元，用于获取预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构；

曲轴系多体动力学模型建立单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置、预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构，建立发动机的曲轴系多体动力学模型；

关键位置扭振提取单元，用于基于发动机的曲轴系多体动力学模型的动力学分析结果，提取曲轴上预设关键位置的扭振结果；

安装位置确定单元，用于在满足空间布置的情况下，从多个预设关键位置中选择一个扭振振幅最小的位置作为平衡轴驱动齿轮的安装位置。

优选地，敲击噪声预测模块102包括：

第二参数获取单元，用于获取发动机的详细参数和几何模型；

发动机动力学分析单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机三维多体动力学模型，向发动机三维多体动力学模型输入外部激励，得到发动机的动态响应；

发动机辐射噪声分析单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机声学模型，以发动机的一部分动态响应作为发动机声学模型的激励，并向发动机声学模型输入外部激励，得到发动机辐射噪声；

其中，得到的发动机的另一部分动态响应和得到的发动机辐射噪声作为所预测的平衡轴齿轮敲击噪声。

优选地，向发动机三维多体动力学模型输入的外部激励包括：燃气压力、气门落座力、气门弹簧力、凸轮轴承力和正时系统激励力；

得到发动机的动态响应包括：驱动轴和被驱动轴的转速差、齿轮啮合力、平衡轴箱体振动加速度、机油盘表面振动速度、主轴承力、活塞侧向力和平衡轴轴承力；

以主轴承力、活塞侧向力、平衡轴轴承力以及外部输入的凸轮轴轴承力和气门落座力作为发动机声学模型的激励。

优选地，敲击噪声评价模块103包括：

第一识别单元，用于根据驱动轴和被驱动轴的转速差是否超过预设转速差，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第二识别单元，用于若第一识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据齿轮啮合力提取平衡轴齿轮啮合时的敲击力以及敲击频率；再根据平衡轴齿轮啮合时的敲击力是否超过预设敲击力，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第三识别单元，用于若第二识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第四识别单元，用于若第三识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第五识别单元，用于若第四识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，对发动机辐射噪声进行频率分析；再根据发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

上面结合附图对本专利进行了示例性描述，只要采用了本专利的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，包括：

S1、建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置；

S2、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声；

S3、按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

2.根据权利要求1所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11、获取预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构；

S12、根据预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构，建立发动机的曲轴系多体动力学模型；

S13、基于发动机的曲轴系多体动力学模型的动力学分析结果，提取曲轴上预设关键位置的扭振结果；

S14、在满足空间布置的情况下，从多个预设关键位置中选择一个扭振振幅最小的位置作为平衡轴驱动齿轮的安装位置。

3.根据权利要求2所述的所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，步骤S13中，曲轴上预设关键位置的扭振结果是指曲轴上预设关键位置的角加速度结果；

曲轴上预设关键位置包括：曲轴前端、各曲柄臂和曲轴后端。

4.根据权利要求1所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，步骤S2包括：

步骤S21、获取发动机的详细参数和几何模型；

步骤S22、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机三维多体动力学模型，向发动机三维多体动力学模型输入外部激励，得到发动机的动态响应；

步骤S23、结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机声学模型，以发动机的一部分动态响应作为发动机声学模型的激励，并向发动机声学模型输入外部激励，得到发动机辐射噪声；

其中，步骤S22中得到的另一部分动态响应和步骤S23中得到的发动机辐射噪声作为所预测的平衡轴齿轮敲击噪声。

5.根据权利要求4所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，步骤S22中，向发动机三维多体动力学模型输入的外部激励包括：燃气压力、气门落座力、气门弹簧力、凸轮轴承力和正时系统激励力；

步骤S22中，得到发动机的动态响应包括：驱动轴和被驱动轴的转速差、齿轮啮合力、平衡轴箱体振动加速度、机油盘表面振动速度、主轴承力、活塞侧向力和平衡轴轴承力；

步骤S23中，以主轴承力、活塞侧向力、平衡轴轴承力以及外部输入的凸轮轴轴承力和气门落座力作为发动机声学模型的激励。

6.根据权利要求5所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，步骤S3包括：

S31、根据驱动轴和被驱动轴的转速差是否超过预设转速差，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S32、若S31确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据齿轮啮合力提取平衡轴齿轮啮合时的敲击力以及敲击频率；再根据平衡轴齿轮啮合时的敲击力是否超过预设敲击力，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S33、若S32确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S34、若S33确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

S35、若S34确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，对发动机辐射噪声进行频率分析；再根据发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

7.根据权利要求6所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，若驱动轴和被驱动轴的转速差超过预设转速差、平衡轴齿轮啮合时的敲击力超过预设敲击力、平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有峰值、机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有峰值且发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有峰值，确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

8.根据权利要求1所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法，其特征在于，评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的方法还包括：

S4、从引起平衡轴齿轮敲击噪声的噪声激励源、噪声传递路径和噪声响应点进行优化，直至平衡轴齿轮敲击噪声合格。

9.一种评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，其特征在于，包括：

安装位置确定模块，用于建立发动机的曲轴系多体动力学模型，以确定平衡轴驱动齿轮的安装位置；

敲击噪声预测模块，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置，建立发动机三维多体动力学模型和发动机声学模型，以预测平衡轴齿轮敲击噪声；

敲击噪声评价模块，用于按照预设标准，评价平衡轴齿轮敲击噪声，以确定是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。

10.根据权利要求9所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，其特征在于，安装位置确定模块包括：

第一参数获取单元，用于获取预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构；

曲轴系多体动力学模型建立单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置、预先设计的发动机参数、布置情况和曲轴系结构，建立发动机的曲轴系多体动力学模型；

关键位置扭振提取单元，用于基于发动机的曲轴系多体动力学模型的动力学分析结果，提取曲轴上预设关键位置的扭振结果；

安装位置确定单元，用于在满足空间布置的情况下，从多个预设关键位置中选择一个扭振振幅最小的位置作为平衡轴驱动齿轮的安装位置。

11.根据权利要求9所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，其特征在于，敲击噪声预测模块包括：

第二参数获取单元，用于获取发动机的详细参数和几何模型；

发动机动力学分析单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机三维多体动力学模型，向发动机三维多体动力学模型输入外部激励，得到发动机的动态响应；

发动机辐射噪声分析单元，用于结合平衡轴驱动齿轮的安装位置和发动机的详细参数和几何模型，建立发动机声学模型，以发动机的一部分动态响应作为发动机声学模型的激励，并向发动机声学模型输入外部激励，得到发动机辐射噪声；

其中，得到的发动机的另一部分动态响应和得到的发动机辐射噪声作为所预测的平衡轴齿轮敲击噪声。

12.根据权利要求11所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，其特征在于，向发动机三维多体动力学模型输入的外部激励包括：燃气压力、气门落座力、气门弹簧力、凸轮轴承力和正时系统激励力；

得到发动机的动态响应包括：驱动轴和被驱动轴的转速差、齿轮啮合力、平衡轴箱体振动加速度、机油盘表面振动速度、主轴承力、活塞侧向力和平衡轴轴承力；

以主轴承力、活塞侧向力、平衡轴轴承力以及外部输入的凸轮轴轴承力和气门落座力作为发动机声学模型的激励。

13.根据权利要求9所述的评价发动机的平衡轴齿轮敲击噪声的装置，其特征在于，敲击噪声评价模块包括：

第一识别单元，用于根据驱动轴和被驱动轴的转速差是否超过预设转速差，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第二识别单元，用于若第一识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据齿轮啮合力提取平衡轴齿轮啮合时的敲击力以及敲击频率；再根据平衡轴齿轮啮合时的敲击力是否超过预设敲击力，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第三识别单元，用于若第二识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据平衡轴箱体振动加速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第四识别单元，用于若第三识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，则根据机油盘表面振动速度在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声；

第五识别单元，用于若第四识别单元确定需要优化平衡轴齿轮敲击噪声，对发动机辐射噪声进行频率分析；再根据发动机辐射噪声在平衡轴齿轮敲击频率所在的频段内有无峰值，识别是否需要优化平衡轴齿轮敲击噪声。