減小柴油機(jī)凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙對整機(jī)寬頻噪聲改善的研究

李　樂　孫立永　屈　偉　張建川　尚　運(yùn)（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

減小柴油機(jī)凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙對整機(jī)寬頻噪聲改善的研究

李樂1,2孫立永1,2屈偉1,2張建川1,2尚運(yùn)1,2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

為改善某四缸增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH（Noise Vibration and Harshness）性能，通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙并對振動(dòng)及噪聲進(jìn)行測試，結(jié)果顯示：減小凸輪軸傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙對發(fā)動(dòng)機(jī)寬頻噪聲有明顯改善。

柴油機(jī)NVH凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙

引言

日益加嚴(yán)的油耗指標(biāo)使柴油機(jī)的節(jié)油性能要求凸顯，但柴油機(jī)存在振動(dòng)大、噪聲明顯等缺陷。

在對某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及搭載整車后的全評價(jià)過程中發(fā)現(xiàn)：此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋前端及頂部振動(dòng)及噪聲不滿足最終要求。經(jīng)分析測試，最終鎖定凸輪軸傳動(dòng)齒輪的機(jī)械噪聲為主要噪聲源[1]。因此，本文對此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)噪聲進(jìn)行分析并改善，通過調(diào)整配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙改善整機(jī)寬頻噪聲[2]。

側(cè)隙指兩個(gè)相配合齒輪的工作齒面相接觸時(shí)，兩個(gè)非工作齒面之間所形成的間隙[3]。

1　研究對象與試驗(yàn)裝置

本文所涉及的研究對象為2.0L雙頂置凸輪軸渦輪增壓柴油機(jī)，最大功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速為120kW (4 000r/min)，最大扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速為350N·m (1 600r/min～2 800r/min)。

進(jìn)、排氣凸輪軸傳動(dòng)形式為齒輪傳動(dòng)，齒輪布置形式如圖1所示，主、從動(dòng)齒輪均為直齒輪，主要參數(shù)見表1。

圖1　凸輪軸齒輪布置形式

表1　主、從動(dòng)齒輪部分參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)噪聲及振動(dòng)測試過程，始終在配置有冷卻水恒溫系統(tǒng)和燃油恒溫系統(tǒng)的AVL電力測功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的消聲室進(jìn)行，消聲室內(nèi)部基礎(chǔ)噪聲為25dB（A）。

發(fā)動(dòng)機(jī)上傳感器以及發(fā)動(dòng)機(jī)正上方1m處麥克風(fēng)布置形式如圖2所示，所測得的噪聲以及振動(dòng)信號(hào)可在相應(yīng)的PC上采集記錄。

圖2　傳感器及麥克風(fēng)布置形式

2　原側(cè)隙凸輪軸齒輪NVH水平

此2.0L柴油機(jī)凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙原始設(shè)計(jì)值為0.14～0.196mm。以此間隙設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)，分別從尖銳度、語音清晰度以及聲音粗糙度三方面對發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3　原凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙狀態(tài)整機(jī)聲品質(zhì)水平

整機(jī)噪聲水平如圖4所示。

基于上述聲品質(zhì)及噪聲數(shù)據(jù)。對凸輪軸傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙進(jìn)行調(diào)整[4]，探究不同的齒輪嚙合側(cè)隙對發(fā)動(dòng)機(jī)NVH水平的影響。

圖4　整機(jī)噪聲水平

3　不同嚙合側(cè)隙試驗(yàn)

在實(shí)際工程制造中，對研究對象所測得的側(cè)隙為法向側(cè)隙，所謂法向側(cè)隙是指當(dāng)兩個(gè)齒輪的工作面相互接觸時(shí)，其非工作齒面之間的最短距離[3]。保證法向側(cè)隙的方法為：

1)在凸輪軸承蓋與缸蓋合件加工過程中，在進(jìn)、排氣凸輪軸軸承孔中心距理論值固定，控制中心距的加工公差。

2)以跨齒數(shù)4個(gè)為基礎(chǔ)，控制主、從動(dòng)齒輪的公法線長度極限公差以保證所需的側(cè)隙值。

在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，分別選取嚙合側(cè)隙值為0.04mm，0.06mm以及0.12mm的3組不同嚙合側(cè)隙配合方式在原發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行測試。

試驗(yàn)條件及傳感器布置情況與測試原狀態(tài)嚙合側(cè)隙時(shí)保持一致。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)分析

不同嚙合側(cè)隙的發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同嚙合側(cè)隙狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)對比

由圖5可知，減小凸輪軸傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙，發(fā)動(dòng)機(jī)頂面噪聲粗糙度、尖銳度和語音清晰度均有明顯改善，并且存在間隙越大，聲品質(zhì)越差的趨勢。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分析

不同嚙合側(cè)隙值情況下整機(jī)噪聲測試結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同側(cè)隙狀態(tài)整機(jī)噪聲對比

由圖6可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣側(cè)，正時(shí)側(cè)與頂部噪聲及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲隨凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙值減小而減小。

因此減小傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的整體聲品質(zhì)與噪聲水平。

為進(jìn)一步研究傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙對發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的影響，對發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及空載加速工況進(jìn)行進(jìn)一步測試與分析。

3.3頂部噪聲頻譜對比

對發(fā)動(dòng)機(jī)頂部1m處聲壓級(jí)進(jìn)行測試，測試條件為：相同條件的消聲室，測功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)斷開連接軸，發(fā)動(dòng)機(jī)利用起動(dòng)機(jī)著車，保持在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（750r/min）情況下，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7　發(fā)動(dòng)機(jī)頂部1m處聲壓級(jí)變化

從圖7可以看出：在1 800Hz以上，發(fā)動(dòng)機(jī)頂部1m處噪聲降低6.2dB（A）；頂部噪聲隨不同齒輪嚙合側(cè)隙降低的趨勢一致，齒輪嚙合側(cè)隙值越小，1m處聲壓級(jí)降低越明顯。

3.4發(fā)動(dòng)機(jī)空載加速噪聲頻譜對比

以頂端噪聲頻譜隨凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙變化規(guī)律為基礎(chǔ)，對發(fā)動(dòng)機(jī)1m處聲壓級(jí)在空載加速工況的噪聲進(jìn)行測試并分析結(jié)果，選取原狀態(tài)凸輪軸嚙合側(cè)隙值（0.14～0.196mm）與0.04mm凸輪軸嚙合側(cè)隙值進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8　發(fā)動(dòng)機(jī)空載加速噪聲頻譜對比

從圖8可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)1m處聲壓級(jí)噪聲在空載加速工況下隨凸輪軸齒輪側(cè)隙的減小而降低，且減小明顯，最高可降低3.4dB（A）。

上述兩種嚙合側(cè)隙值情況下，對30cm近場噪聲進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9　缸蓋近場噪聲測試

從圖9可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋頂部與后端30cm處近場噪聲隨齒輪側(cè)隙減小而減??；中低轉(zhuǎn)速改善明顯，但改善效果隨轉(zhuǎn)速增大而減小。

3.5極限間隙情況驗(yàn)證

根據(jù)生產(chǎn)情況，選取極限值0.03mm、0.083mm與隨機(jī)情況0.033mm進(jìn)行連軸怠速情況NVH測試，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10　極限間隙與隨機(jī)間隙噪聲測試

從圖10可以看出：0.03mm和0.033mm側(cè)隙，整機(jī)噪聲相差不大，比0.083mm側(cè)隙小1.4dB(A)。

頂部1m處聲壓級(jí)測試結(jié)果如圖11所示。

圖11　頂部1m處聲壓級(jí)測試結(jié)果

從圖11可以看出：1 800～8 000Hz頂部噪聲，嚙合側(cè)隙0.03mm和0.033mm相差不大，比0.083mm小3dB(A)，0.083mm側(cè)隙噪聲不可接受。

凸輪軸軸承蓋振動(dòng)情況如圖12所示。

圖12　凸輪軸軸承蓋振動(dòng)情況

從圖12可以看出：1 800～8 000Hz凸輪軸軸承蓋后端Y向振動(dòng)，嚙合側(cè)隙0.03mm和0.033mm相差不大，比0.083mm小1倍。

空載加速工況測試結(jié)果如圖13所示。

圖13　空載加速工況

從圖13可以看出：空載加速工況，對于不同側(cè)隙各面噪聲相差不大。

4　結(jié)論

1）在設(shè)計(jì)值允許范圍內(nèi)，減小凸輪軸傳動(dòng)齒輪嚙合側(cè)隙，發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)有明顯改善，嚙合側(cè)隙最大值控制到0.08mm范圍內(nèi)。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣側(cè)、正時(shí)側(cè)、頂部噪聲及整機(jī)噪聲隨凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙值減小而減小；且側(cè)隙值越小，1m處聲壓級(jí)噪聲降低越明顯。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋頂部與后端近場噪聲隨齒輪嚙合側(cè)隙減小而減小；中低轉(zhuǎn)速改善明顯，但改善效果隨轉(zhuǎn)速增大而減小。

4）對于0.083mm側(cè)隙，排氣側(cè)和頂部噪聲較大，聲音雜，不能接受。

因此從NVH方面考慮，此四缸柴油機(jī)凸輪軸傳動(dòng)齒輪間隙確定為0.03mm～0.08mm。

1杜憲峰，梁興雨，李志勇.柴油機(jī)激勵(lì)載荷與結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)特征關(guān)系研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015，44（1）：25-30

2許愛芳，張佳，吳志永.降低高速傳動(dòng)齒輪組動(dòng)載荷沖擊的方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（6）：12-14

3張民安.圓柱齒輪精度[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002

4張子辰,韓景峰,劉洪德,等.降低柴油機(jī)噪聲技術(shù)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2006（6）：19-22

Research of the Relations Between CamshaftGear Backlash and Diesel Engine'sNVH

LiLe1,2,Sun Liyong1,2,Qu W ei1,2，Zhang Jianchuan1,2,Shang Yun1,2
1-Technical Center，GreatWallMotor Company Limited（Baoding,Hebei,071000,China）2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

For improving the NVH（Noise Vibration and Harshness）of 4-cylinder turbocharger diesel engine,a research and testof adjusting the camshaftgear backlash proves that the backlash effects NVH. NVH improvesobviouslywith decreasing the camshaftgear backlash.

Dieselengine,NVH,Camshaft,Gear,Backlash

TK423.4+1

A

2095-8234（2016）02-0043-05

2016-01-03）

李樂（1985-），女，助理工程師，主要從事柴油機(jī)研制與開發(fā)。