某發(fā)動(dòng)機(jī)共振異響診斷與消除

賈志超 呂哲 潘德槐 劉天勝

（中國(guó)嘉陵工業(yè)股份有限公司（集團(tuán)）技術(shù)中心重慶401332）

·振動(dòng)·噪聲·

某發(fā)動(dòng)機(jī)共振異響診斷與消除

賈志超 呂哲 潘德槐 劉天勝

（中國(guó)嘉陵工業(yè)股份有限公司（集團(tuán)）技術(shù)中心重慶401332）

測(cè)試了某異響發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的聲壓和振動(dòng)加速度，通過異響工況下的加速度功率譜密度曲線結(jié)合曲軸自由模態(tài)分析結(jié)果診斷出了異響問題的原因-曲軸共振。對(duì)引起共振的激勵(lì)源-發(fā)電機(jī)及點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使激勵(lì)能量足夠小從而消除了該發(fā)動(dòng)機(jī)的異響。該共振異響問題的解決，對(duì)類似問題具有參考和指導(dǎo)意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)異響模態(tài)共振

引言

通常發(fā)動(dòng)機(jī)異響主要是因?yàn)槟承┝慵p過甚或裝配、調(diào)校不當(dāng)，以及部分零件設(shè)計(jì)問題引起的[1]。某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)工作在3800 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出刺耳的異常噪聲。轉(zhuǎn)速偏離3800 r/min時(shí)，異常噪聲消失，發(fā)動(dòng)機(jī)聲音回復(fù)正常。發(fā)動(dòng)機(jī)在急速回油時(shí)，3800 r/min出現(xiàn)的異響更加明顯。該發(fā)動(dòng)機(jī)為新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，且異響出現(xiàn)在所有裝配的樣機(jī)上，據(jù)此初步判斷該發(fā)動(dòng)機(jī)異響問題的原因?yàn)椴考O(shè)計(jì)問題?；谠摪l(fā)動(dòng)機(jī)前期開發(fā)過程，在未增加單平衡軸系統(tǒng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)無異響，所以首先將異響的根源確定為發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。引起傳動(dòng)箱異響的主要根源在于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速本質(zhì)上的不均勻[2]，其中共振引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)等必然引起更明顯的異響現(xiàn)象[3]。異響的診斷主要通過測(cè)試、測(cè)試數(shù)據(jù)的分析計(jì)算來定位其根源并改進(jìn)消除[4～7]。針對(duì)該異響問題進(jìn)行了噪聲和振動(dòng)測(cè)試，結(jié)合模態(tài)計(jì)算順利找到了異響根源。在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的條件下，消除了異響，在工程上有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1 問題分析及解決思路

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異響在唯一固定轉(zhuǎn)速，通常是由共振產(chǎn)生。本次采用聲壓和振動(dòng)測(cè)試分別測(cè)試異響時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)左右側(cè)面的聲壓信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)箱體上的振動(dòng)信號(hào)。通過聲壓級(jí)瀑布圖對(duì)比和振動(dòng)信號(hào)功率譜密度對(duì)比找到異響聲壓的特征頻率和共振的特征頻率。采用濾波回放方式判斷異響的特征頻率是否定位準(zhǔn)確。振動(dòng)信號(hào)結(jié)合零件模態(tài)計(jì)算結(jié)果確定共振頻率及定位共振位置。找到共振位置及頻率后對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪、鏈輪等引起周期激勵(lì)的零件進(jìn)行排查，找到共振發(fā)生的激勵(lì)源。要消除共振有2個(gè)主要辦法，首先可以通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，移開共振零件的模態(tài)頻率消除共振。其次也可以從激勵(lì)源的角度減小激勵(lì)能量或者改變激勵(lì)頻率消除共振。異響問題解決的技術(shù)路線見圖1。

圖1 異響問題技術(shù)方案流程圖

2 噪聲及振動(dòng)測(cè)試

根據(jù)既定技術(shù)方案，首先需要對(duì)發(fā)生異響的整車噪聲及振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。噪聲數(shù)據(jù)用來濾波回放，確定異響噪聲的主要頻率成分。振動(dòng)數(shù)據(jù)用來分析發(fā)生異響時(shí)的主要振動(dòng)頻率成分，希望確定共振頻率。測(cè)試在普通工作間進(jìn)行，要求測(cè)試時(shí)所有其他聲源關(guān)閉，保證噪聲信號(hào)的可用性。

2.1 測(cè)試工況

測(cè)試時(shí)摩托車使用側(cè)面支架支撐于地面，空檔運(yùn)行。測(cè)試共分三種工況：

1）工況1

發(fā)動(dòng)機(jī)工作于連續(xù)加油回油過程，用來測(cè)試回油異響時(shí)是否發(fā)生振動(dòng)加速度增大的情況，進(jìn)一步確定共振的發(fā)生；

2）工況2

發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作于異響轉(zhuǎn)速3800 r/min，用來進(jìn)行頻率分析；

3）工況3

測(cè)試無平衡軸狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在3800 r/min時(shí)，用來與異響時(shí)進(jìn)行對(duì)比，查找共振頻率。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試參數(shù)選擇

整個(gè)測(cè)試中布置了1個(gè)聲壓測(cè)點(diǎn)和1個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。其中加速度測(cè)點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)箱體（平衡軸安裝位置）位置包含三個(gè)測(cè)試方向。聲壓測(cè)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)距發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋邊緣和地面各500 mm位置，朝向平衡軸。加速度和聲壓共4個(gè)通道，為兼顧聲壓信號(hào)頻域分辨率，所有通道采樣率均設(shè)置為16384，這樣頻域達(dá)到8192 Hz。每個(gè)工況測(cè)試2組信號(hào)，每次連續(xù)采樣10 s。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

2.3.1 聲壓信號(hào)處理

有無異響時(shí)的聲壓信號(hào)如圖2、3所示。通過聲壓信號(hào)瀑布圖對(duì)比可以看出，異響發(fā)生時(shí)的聲壓信號(hào)在1650 Hz附近存在明顯的高聲壓頻帶。通過濾波回放，1650 Hz附近包含了異響成分，但沒有包含所有的異響成分。進(jìn)一步濾波得出異響發(fā)生在一個(gè)很寬的頻帶范圍1500 Hz~3500 Hz，異響由該頻段內(nèi)的噪聲成分合成。通過該結(jié)果尋找異響源比較困難，進(jìn)一步的分析針對(duì)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行。

圖2 有異響時(shí)聲壓信號(hào)瀑布圖

圖3 無異響時(shí)聲壓信號(hào)瀑布圖

2.3.2 加回油加速度信號(hào)處理

通過計(jì)算隨時(shí)間變化的幅值曲線（Level），可以反映整個(gè)過程中測(cè)點(diǎn)處振動(dòng)加速度幅度隨時(shí)間的變化曲線。當(dāng)不發(fā)生共振時(shí)，加回油引起的振動(dòng)加速度幅值隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑變化。若發(fā)生共振，則在共振點(diǎn)轉(zhuǎn)速振動(dòng)加速度會(huì)發(fā)生明顯上升。據(jù)此可判斷摩托車在加回油過程中是否有共振現(xiàn)象產(chǎn)生。圖4和圖5分別是發(fā)動(dòng)機(jī)有異響和無異響時(shí)箱體測(cè)點(diǎn)各方向振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化的幅值曲線。

從圖4和圖5可以看出，有異響的發(fā)動(dòng)機(jī)在回油過程中有明顯的共振現(xiàn)象發(fā)生，而沒有異響的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速平滑變動(dòng)，無明顯共振。該結(jié)果證明了發(fā)動(dòng)機(jī)異響由共振產(chǎn)生。

2.3.3 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（3800 r/min）加速度信號(hào)處理

異響僅在固定轉(zhuǎn)速3800 r/min發(fā)生，在該轉(zhuǎn)速下測(cè)試的加速度數(shù)據(jù)信息量豐富，通過功率譜密度函數(shù)可以得到主要的振動(dòng)頻率成分。與無異響時(shí)測(cè)試加速度數(shù)據(jù)的功率譜密度函數(shù)進(jìn)行對(duì)比，查找差異有希望獲得異響時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的共振頻率。圖6和圖7分別是發(fā)動(dòng)機(jī)箱體測(cè)點(diǎn)X方向和Z方向的功率譜密度函數(shù)對(duì)比。

圖4 有異響發(fā)動(dòng)機(jī)加回油加速度幅值曲線

圖5 無異響發(fā)動(dòng)機(jī)加回油加速度幅值曲線

圖6 有異響時(shí)箱體加速度功率譜密度函數(shù)

對(duì)比結(jié)果顯示，有異響時(shí)在758Hz附近出現(xiàn)較明顯的高峰，而無異響時(shí)在該頻率附近沒有出現(xiàn)明顯高峰，所以該頻率極有可能是異響時(shí)的共振頻率。

3 共振原因分析

找到可能的共振頻率后，需要找到引起共振的部件。經(jīng)過反復(fù)多次拆除試聽，結(jié)合排除法，最終確認(rèn)異響最可能的來源是曲軸與平衡軸之間的齒輪嚙合。由此尋找共振的原因便由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及平衡軸系統(tǒng)入手。

3.1 模態(tài)分析

分析曲軸及平衡軸的自由模態(tài)，并與測(cè)試得到的758Hz進(jìn)行比對(duì)，最終發(fā)現(xiàn)曲軸結(jié)構(gòu)的第一階自由模態(tài)為756Hz附近的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)，而平衡軸模態(tài)頻率均遠(yuǎn)高于該頻率，所以初步懷疑異響為曲軸共振引起。曲軸扭轉(zhuǎn)共振的形式如圖8所示。

圖7 無異響時(shí)箱體加速度功率譜密度函數(shù)

圖8 曲軸一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型示意圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)曲軸扭振是引起異響的原因，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。質(zhì)量分布會(huì)影響結(jié)構(gòu)的模態(tài)分布，現(xiàn)有2 kg和3 kg質(zhì)量的轉(zhuǎn)子安裝在曲軸上。根據(jù)分析結(jié)果將原使用的2 kg轉(zhuǎn)子換裝為3 kg轉(zhuǎn)子后，曲軸扭振頻率由758 Hz下降到686 Hz。異響轉(zhuǎn)速3800 r/min對(duì)應(yīng)的基頻63 Hz，此時(shí)共振頻率大約是轉(zhuǎn)速基頻的12倍，根據(jù)此原則曲軸扭振頻率下降到686 Hz后，發(fā)生異響的轉(zhuǎn)速應(yīng)該降低為686/12× 60=3430 r/min。實(shí)際測(cè)試中換裝轉(zhuǎn)子后，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生異響的實(shí)際轉(zhuǎn)速下降到3400 r/min左右，與分析結(jié)果吻合，確認(rèn)了異響發(fā)生的原因。

3.2 確定激勵(lì)源

共振的發(fā)生有兩個(gè)主要因素，共振頻率和一定能量的同頻率激勵(lì)。結(jié)合測(cè)試和分析結(jié)果確認(rèn)了共振的部件及頻率，然而還沒有找到引起該共振的激勵(lì)。從與曲軸聯(lián)系的所有齒輪、鏈輪、軸承入手，均未找到能產(chǎn)生轉(zhuǎn)速基頻12倍頻率激勵(lì)的部件存在。排除以上零件激勵(lì)的可能性外還有一個(gè)部件會(huì)與曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生關(guān)系，那就是曲軸一端安裝的轉(zhuǎn)子，它與箱體上的定子組成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，而該定子的線圈數(shù)為12個(gè)。有理由懷疑發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)電機(jī)形成的阻力是共振的激勵(lì)源。將運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)斷開，消除發(fā)電阻力后發(fā)動(dòng)機(jī)異響消除。至此，引起發(fā)動(dòng)機(jī)異響的原因及激勵(lì)源均已找到。

4 異響的消除

對(duì)于共振引起的異響，可從兩個(gè)方面入手解決。第一種方案是對(duì)發(fā)生共振的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，消除發(fā)生共振的模態(tài)振型或者將該階模態(tài)的頻率移出常用轉(zhuǎn)速的激勵(lì)范圍。第二種方案是針對(duì)激勵(lì)源，減小周期激勵(lì)的能量，當(dāng)激勵(lì)能量小到不足以激發(fā)該共振時(shí)，也可消除該共振。

發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì)定型，對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的范圍十分有限，唯一可以改變的只有曲軸連接轉(zhuǎn)子的軸徑。將軸徑增大2 mm后分析曲軸模態(tài)，原第一階的扭轉(zhuǎn)模態(tài)變?yōu)榈诙A，頻率由758 Hz上升到924 Hz。這個(gè)改變并不能消除異響，只是將發(fā)生異響的轉(zhuǎn)速提高。其它的改動(dòng)會(huì)改變整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)熱機(jī)的布局和設(shè)計(jì)，工作量非常巨大。從激勵(lì)源入手則只改變發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電和點(diǎn)火的電器系統(tǒng)，改動(dòng)比較容易實(shí)現(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電輸出功率不變的情況下，切割線圈次數(shù)越多則阻力越小，曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。采用直流點(diǎn)火，使點(diǎn)火能量由蓄電池提供，不通過發(fā)電機(jī)直接輸出，也有利于曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)。采取如下的改進(jìn)方案，將原12組線圈的定子更改設(shè)計(jì)為18組線圈的定子，將由發(fā)電機(jī)提供點(diǎn)火能量的點(diǎn)火方式改變?yōu)橛尚铍姵靥峁c(diǎn)火能量的直流點(diǎn)火方式。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在不改變曲軸及發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的條件下，只改變電器系統(tǒng)的方案全轉(zhuǎn)速范圍完全消除了發(fā)動(dòng)機(jī)的異響。原狀態(tài)和改進(jìn)后狀態(tài)測(cè)試的3800 r/min工況下聲壓1/3倍頻程比較如圖9所示，可以看出從800到8000 Hz頻率段內(nèi)，聲壓級(jí)下降明顯，實(shí)際聽音異響已完全消除。

圖9 改進(jìn)前后聲壓1/3倍頻比較

5 結(jié)論

本次問題的解決實(shí)現(xiàn)了從問題診斷、原因分析、設(shè)計(jì)改進(jìn)的完整問題解決路徑，是一套可成功應(yīng)用于類似問題的技術(shù)方案。曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的激勵(lì)源一般是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力，而本次共振的激勵(lì)源卻是發(fā)電機(jī)發(fā)電阻力，比較特殊。通過調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)，改變激勵(lì)源很好地解決了曲軸共振問題。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、平衡軸等易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的零部件，設(shè)計(jì)初必須充分考慮所設(shè)計(jì)零件的模態(tài)特性，將異響、破壞等問題消除在產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)階段。測(cè)試技術(shù)和分析技術(shù)的綜合運(yùn)用是解決動(dòng)力產(chǎn)品異常問題的有效手段，加強(qiáng)此技術(shù)能力是企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升市場(chǎng)認(rèn)知度的保障。

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The Diagnoses and Elimination of an Engine Resonance and Abnormal Noise

Jia Zhichao，Lv Zhe，Pan Dehuai，Liu Tiansheng
The Technical Center of China Jialing Industrial Co.Ltd.（Chongqing，401332，China）

Sound pressure and vibration acceleration of a working engine is tested.The reason of abnormal noise and torsion resonance is discovered by acceleration power spectral density curve and crankshaft free modal analysis result.Electric generator and ignition system，which are the excitation resource of the abnormal noise，are improved to reduce the excitation energy.Then the abnormal noise was eliminated.On the base，the general method，which can be used to solve similar resonance abnormal nose problem，is obtained.The method has reference and guidance function on the resolving of the similar problem.

Engine，Abnormal noise，Modal，Torsion resonance

TK411+.6

A

2095-8234（2014）06-0065-06

2014-05-29）

賈志超（1979—），男，碩士，工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化，NVH控制及應(yīng)用。