某型汽車發(fā)動機(jī)功率提升后NVH 試驗(yàn)研究①

桂樹國，薛飛舞，劉 浩

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽，合肥230011;2.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽，合肥230022)

0 引 言

在汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，汽車已不僅僅只滿足于代步工具的需要，用戶對汽車乘坐舒適性的要求越來越高，汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise，Vibration and Harshness，NVH)品質(zhì)越來越受到用戶的重視［1，2］汽車噪聲和振動控制技術(shù)是汽車工業(yè)的一個(gè)重要課題，NVH 設(shè)計(jì)與優(yōu)化正朝著主動設(shè)計(jì)的方向發(fā)展，NVH 設(shè)計(jì)已經(jīng)融入整車的設(shè)計(jì)過程.被譽(yù)為汽車“心臟”的發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)劣更直接關(guān)系到汽車的NVH 性能［3，4］另外，汽車的綠色、健康、環(huán)保理念越來越深入人心，世界各國對噪聲污染控制越來越嚴(yán)，汽車噪聲和振動性能決定了一款汽車在市場的前景.提高汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的NVH 性能，使其與整車合理的匹配，是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)研究的重要課題，目前國內(nèi)汽車企業(yè)設(shè)計(jì)與開發(fā)主要依賴于試驗(yàn)和測量技術(shù)，通過樣車的試驗(yàn)來改善和優(yōu)化汽車NVH 性能［5，6］本試驗(yàn)依據(jù)GB－T 1859－2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程法和簡易法》和GB/T 7184－2008《中小功率柴油機(jī)振動測量及評級》，對樣機(jī)進(jìn)行了NVH試驗(yàn)，驗(yàn)證了樣機(jī)性能，從而優(yōu)化整車性能.

1 NVH 試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)使用某國產(chǎn)2.8L 高壓共軌柴油機(jī).外形尺寸:766×632×702(mm);質(zhì)量(凈質(zhì)量):250 kg;型式:直列、水冷、四沖程、渦輪增壓中冷;干式薄壁鍍鉻氣缸套、直噴式、高壓共軌;氣缸數(shù):4;缸徑:93 mm;行程:102 mm;排量:2.771 L;功率:88 kW;額定轉(zhuǎn)速:3600 r/min;最大扭矩:240 N.m;最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速:2000 ～2200 r/min;全負(fù)荷最低燃油消耗率:208 g/kW.h;怠速:800±50 r/min;工作順序:1－3－4－2;曲軸旋轉(zhuǎn)方向(面向飛輪端):逆時(shí)針;潤滑方式:壓力、飛濺復(fù)合式.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與測量儀器

HEAD Artemis 振動噪聲儀，電力測功機(jī)，某型發(fā)動機(jī)一臺，壓力傳感器(4 ～20mA)若干，溫度傳感器(PT100)若干，高溫傳感器一個(gè)，筆記本電腦一臺.

1.3 聲學(xué)測量的傳感器布置

由于試驗(yàn)條件的限制，本次試驗(yàn)選擇了五個(gè)位置進(jìn)行測量，五個(gè)點(diǎn)離發(fā)動機(jī)機(jī)體的距離均為1 米.聲學(xué)傳感器在臺架發(fā)動機(jī)上布置圖如圖1 所示.

圖1 聲學(xué)傳感器布置圖

1.4 振動傳感器布置

本次試驗(yàn)選擇了發(fā)動機(jī)上7 個(gè)位置，圖中1，2，3，4，5 分別代表發(fā)動機(jī)前端、發(fā)動機(jī)后端、缸蓋護(hù)罩、機(jī)體后支架和油底殼，另外還有兩點(diǎn)在圖中無法標(biāo)出，分別是發(fā)電機(jī)上支架和燃油泵.振動加速度的x 方向與曲軸軸線方向一致，y 方向與曲軸x 方向垂直，z 方向?yàn)樨Q直方向.振動加速度傳感器在試驗(yàn)臺架上的發(fā)動機(jī)機(jī)體的具體位置如圖2 所示［9］.

圖2 振動加速度傳感器布置圖

2 NVH 測試實(shí)驗(yàn)過程

2.1 噪聲測試步驟

(1)將發(fā)動機(jī)安裝在臺架上磨合10h，磨合后做一個(gè)外特性，確定發(fā)動機(jī)狀態(tài)是否良好;

圖3 背景噪聲頻譜

圖4 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3600rpm 時(shí)的噪聲頻譜

圖5 噪聲測量結(jié)果

(2)對聲學(xué)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定傳感器是否正常;

(3)安裝聲學(xué)傳感器，具體安裝位置如圖1 所示;

(4)在測量的過程中，發(fā)動機(jī)的工況為怠速點(diǎn)轉(zhuǎn) 速，1000rpm，1500rpm，2000rpm，2500rpm，3000rpm，3600rpm，除了怠速點(diǎn)外，其它各工況均為油門全開;

(5)由于聲學(xué)傳感器對風(fēng)速比較敏感，所以在測量的時(shí)候必須關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的風(fēng)扇;

(6)測量的過程中，要實(shí)時(shí)關(guān)注試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，以避免因傳感器脫落等原因?qū)е碌臏y量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤.

2.2 振動測試步驟

(1)安裝振動加速度傳感器，具體位置如圖2所示.為了使傳感器安裝牢固，通常使用502 膠水和膠布進(jìn)行粘合;

(2)在測量的過程中，發(fā)動機(jī)的工況為怠速點(diǎn)轉(zhuǎn) 速，1000rpm，1500rpm，2000rpm，2500rpm，3000rpm、3600rpm，除了怠速點(diǎn)外，其它各工況均為油門全開;

(3)在測試的過程中，要實(shí)時(shí)關(guān)注試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，檢查傳感器狀態(tài)是否正常，避免傳感器脫落等情況的發(fā)生;

(4)振動傳感器方向的規(guī)定:其中X—曲軸軸線方向，Y—與曲軸軸線方向垂直的方向，Z—與地面垂直方向.

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 測點(diǎn)聲壓級數(shù)值和噪聲頻譜圖

試驗(yàn)中收集的各測點(diǎn)的聲壓級數(shù)值和發(fā)動機(jī)功率提升前各測點(diǎn)的聲壓級數(shù)值如表1 所示.背景噪聲頻譜如圖3 所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3600rpm 時(shí)的噪聲頻譜如圖4 所示，頻譜選擇1/3 倍頻程的頻域圖.不同工況下噪聲測量結(jié)果如圖5 所示.

表1 各測量點(diǎn)的噪聲聲壓級

3.2 測量點(diǎn)各方向的振動加速度值

實(shí)驗(yàn)采集發(fā)動機(jī)不同工況下，各信息采集點(diǎn)傳感器接收到的振動加速度值，表2 為各測量點(diǎn)各方向的振動加速度值，表3 為各測量點(diǎn)的振動加速度合成值;“x”方向振動測量結(jié)果如圖6 所示;“y”方向振動測量結(jié)果和“z”方向振動測量結(jié)果示意圖省略;三方向合成振動測量結(jié)果如圖7 所示;背景振動頻譜如圖8 所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3600rpm 時(shí)的振動頻譜如圖9 所示［7，8］

表2 各測量點(diǎn)各方向的振動加速度值

前 y(m/s2) 9.3 13.4 22.1 28.2 29.1 39.4 62.5 z(m/s2) 22.7 21.5 40 39.8 50.4 52.9 70.2發(fā)電 x(m/s2) 17.9 21.3 81.5 57.1 96.2 88.5 125.9機(jī)上 y(m/s2) 28.1 28.2 53.1 61.1 81.6 97.2 83.5支架 z(m/s2) 34 36.6 70.2 81.3 119.1 149.7 120.3增壓 x(m/s2) 9.2 12.5 28.9 42.4 61.8 77.6 133.2器 y(m/s2) 19.4 26 56.6 62.4 81.1 100.6 112.2 z(m/s2) 11 13.9 34.2 40.8 60.3 78 153.4機(jī)體 x(m/s2) 5.3 20 42.5 43 65.2 67.6 89后 y(m/s2) 11.2 14 34.6 36.8 50.1 67.2 85.8支架 z(m/s2) 21 23.7 45 51.2 71.9 109.6 126.4高壓 x(m/s2) 11.5 14.2 30.9 38.9 76.1 112.5 146.5油泵 y(m/s2) 21.7 25.3 44.8 75.6 61.9 64.5 86.7 z(m/s2)36.6 38.4 73.7 74.2 58.1 65.8 77.2

表3 各測量點(diǎn)的振動加速度合成值

圖6 “x”方向振動測量結(jié)果圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 噪聲結(jié)果分析

(1)80kW 歐3 發(fā)動機(jī)的噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)是97dB(A).此值是在全消聲室內(nèi)的測量結(jié)果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同一款機(jī)型試驗(yàn)室內(nèi)噪聲測量結(jié)果比在全消聲室內(nèi)大5dB(A)左右，所以把80kW 歐3 發(fā)動機(jī)的噪聲指標(biāo)暫定為102dB(A)，88kW 發(fā)動機(jī)的噪聲指標(biāo)暫時(shí)還沒有確定.

圖7 三方向合成振動測量結(jié)果圖

(2)此次測量的背景噪聲平均值為73dB(A)(如圖4 所示)，怠速平均噪聲值為83.6dB(A)，由于背景噪聲小于發(fā)動機(jī)最低噪聲10dB(A)以上，所以此次測量結(jié)果無需修正.80kW 發(fā)動機(jī)額定功率點(diǎn)的平均噪聲值是99.8dB(A)，88kW 發(fā)動機(jī)最大噪聲平均值為102.7dB(A)，此值剛剛超過了80kW 歐3 發(fā)動機(jī)的推薦值102dB(A)，88kW 發(fā)動機(jī)噪聲指標(biāo)一定大于此值，此款發(fā)動機(jī)的噪聲值可以控制在指標(biāo)以內(nèi).

(3)在發(fā)動機(jī)的上、前、左、右四個(gè)測量面中，總體上說發(fā)動機(jī)前面的噪聲最大，為103.1dB(A).分析其原因主要是由于發(fā)動機(jī)前方的聲學(xué)傳感器離中冷器太近所致，中冷器工作時(shí)內(nèi)部的水流和氣流噪聲影響了該點(diǎn)的測量值.排除中冷器噪聲，發(fā)動機(jī)前方的噪聲值在可接受的范圍內(nèi).

圖8 背景振動頻譜

圖9 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3600rpm 時(shí)的振動頻譜

(4)隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)動機(jī)排氣側(cè)噪聲增大顯著，為104.7dB(A)，分析其頻譜可知是由于8000Hz 左右的噪聲源引起的，經(jīng)后期分析考證，噪聲是由于排氣管漏氣引起的，與發(fā)動機(jī)本體無關(guān).對排氣管進(jìn)行維修后，此方向的噪聲值要低2 個(gè)dB(A)左右，所以此方向的噪聲沒有問題［10］.

4.2 振動結(jié)果分析

(1)AVL 公司認(rèn)為發(fā)動機(jī)上各點(diǎn)單方向的振動應(yīng)該小于200m/s2，我們把此值定為振動的安全臨界值.

(2)隨著轉(zhuǎn)速的升高，除了發(fā)電機(jī)支架以外，其它各點(diǎn)的振動都隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，分析其原因是由于振動傳感器工作異常造成的，經(jīng)過后期測量發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)支架的振動在推薦值200 m/s2范圍內(nèi)［11］.

(3)在全速全負(fù)荷時(shí)，增壓器的振動偏大，在z方向振動最大值達(dá)到了153.4 m/s2，推薦值為200 m/s2，所以此值在可接受的范圍內(nèi).

(4)在全速全負(fù)荷時(shí)，油底殼的振動較大，在z方向振動最大值達(dá)到了242.2 m/s2，超過了推薦值——200 m/s2，建議改進(jìn)油底殼的底面，減少底面的平面結(jié)構(gòu)，使底面呈現(xiàn)盡量多的凹凸面.

5 結(jié) 論

(1)發(fā)動機(jī)在功率提升10%后的噪聲值要大于提升前，但是都在可接受范圍內(nèi).

(2)通過對不同工況下樣機(jī)的試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了理論上的優(yōu)化和解決方案的正確性.

(3)通過試驗(yàn)與分析，為設(shè)計(jì)、改進(jìn)發(fā)動機(jī)振動與噪聲性能提供了依據(jù)、方法或規(guī)范.

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對國內(nèi)汽車工程領(lǐng)域開展相關(guān)工作提供必要的借鑒和指導(dǎo).

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［11］ GB/T 7184－2008，中小功率柴油機(jī)振動測量及評級［S］.