某款發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)異響故障原因探索及解決

李京雷，覃 濤，馮祖龍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車噪聲與振動(dòng)是衡量汽車品質(zhì)的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，隨著生活水平的提高，人們對(duì)整車NVH的要求也越來越高。某車型車輛在怠速時(shí)副駕駛位置聽到較明顯的咕咕異響聲音，特別在安靜的環(huán)境更明顯，嚴(yán)重影響顧客駕乘體驗(yàn)，抱怨強(qiáng)烈。

1 問題分析定位

通過對(duì)故障車輛實(shí)車分析（見問題定義樹），并嘗試通過拆卸單個(gè)、互換零件等方法來對(duì)異響源進(jìn)行振動(dòng)、噪聲測(cè)試分析，最終確認(rèn)故障是由壓縮機(jī)支架模態(tài)不滿足要求引起，詳情如圖1所示。

圖1 異響問題定義樹

通過在駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和壓縮機(jī)等部位布點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析，分析結(jié)果見圖2所示，進(jìn)一步確認(rèn)故障位置，通過多點(diǎn)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)駕駛室內(nèi)的噪聲頻率與壓縮機(jī)的振動(dòng)頻率相同，因此可以判斷異響是由于支架或者帶輪不符合BP模態(tài)要求所致。

圖2 異響頻率與振動(dòng)頻率比對(duì)圖

2 壓縮機(jī)支架模態(tài)分析驗(yàn)證

2.1 模態(tài)理論分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都具有特定的固有模態(tài)振型、頻率和阻尼比，可以通過試驗(yàn)或者有限元仿真獲得。模態(tài)分析是一種結(jié)構(gòu)認(rèn)知方法，可以根據(jù)頻率、阻尼、模態(tài)振型這些本質(zhì)特征來描述結(jié)構(gòu)，幫助明白結(jié)構(gòu)是怎樣振動(dòng)的，其最終目標(biāo)在是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[1]。

具有N個(gè)自由度的線性定常系統(tǒng)的基本振動(dòng)方程可寫成：

式中：M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣；X¨（t）為加速度向量，X˙（t）速度向量，X（t）為位移向量，F(xiàn)（t）為動(dòng)激勵(lì)載荷向量。

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于結(jié)構(gòu)阻尼一般較小，對(duì)振型和固有頻率的影響甚微，通常忽略不計(jì)。于是方程（1）可簡(jiǎn)化為方程（2）：

求解固有頻率與振型的問題就轉(zhuǎn)化為求解方程特征值與特征向量的問題。

本文通過LMS Test.Lab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，模態(tài)實(shí)驗(yàn)激勵(lì)點(diǎn)圖如圖3所示。激勵(lì)點(diǎn)的選擇一般有以下兩個(gè)原則：首先應(yīng)該避開一階振型節(jié)點(diǎn)，保證測(cè)點(diǎn)信號(hào)有較高信噪比，避免遺漏模態(tài)；其次要選擇便于激勵(lì)傳遞的位置，該位置剛度應(yīng)盡量大。

圖3 模態(tài)測(cè)試布點(diǎn)圖

測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該選擇能夠反應(yīng)測(cè)試零部件結(jié)構(gòu)輪廓、避開各階振型節(jié)點(diǎn)、顯示模態(tài)振型特征的點(diǎn)[2]。

2.2 模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

通過LMS Test.Lab實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果如下圖4、5所示，其中實(shí)線為帶皮帶的測(cè)試結(jié)果，虛線為拆皮帶的測(cè)試結(jié)果。

圖4 拆/帶皮帶情況下壓縮機(jī)支架各方向模態(tài)圖

圖5 拆/帶皮帶情況下帶輪各方向模態(tài)圖

表1測(cè)試結(jié)果顯示：帶輪在拆與帶皮帶的情況下測(cè)試的各方向模態(tài)結(jié)果相同；壓縮機(jī)支架無論在帶皮帶還是在拆皮帶情況下Y向模態(tài)都相對(duì)偏小。

表1 模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3 壓縮機(jī)支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1 壓縮機(jī)支架設(shè)計(jì)優(yōu)化

汽車壓縮機(jī)支架在A/C OFF檔時(shí)要受到發(fā)動(dòng)機(jī)為震源傳遞的振動(dòng)，在A/C ON檔時(shí)同時(shí)還要受到壓縮機(jī)為震源傳遞的振動(dòng)，因此壓縮機(jī)支架設(shè)計(jì)時(shí)的固有頻率要同時(shí)避開該兩個(gè)震源的振動(dòng)頻率，一般情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率的激勵(lì)對(duì)整車振動(dòng)影響比較大，故障車為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速約為750 r/min-850 r/min，根據(jù)公式（3）：

其中n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，z為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)，τ為沖程系數(shù)[3]。

可換算出發(fā)動(dòng)機(jī)怠速振動(dòng)頻率約為25 Hz-28 Hz，空調(diào)壓縮機(jī)的各檔位振動(dòng)頻率范圍為30 Hz-120 Hz，這就要求壓縮機(jī)支架的固有頻率要遠(yuǎn)離這兩個(gè)頻率區(qū)間。

此外，根據(jù)汽車行業(yè)通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于子系統(tǒng)技術(shù)條件：壓縮機(jī)支架一階模態(tài)要求必須達(dá)到400 Hz以上，詳情見圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)以上兩點(diǎn)要求，對(duì)壓縮機(jī)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，增強(qiáng)Y向模態(tài)，并保證其一階模態(tài)達(dá)到400 Hz以上，優(yōu)化后的支架如下圖7所示。

圖7 壓縮機(jī)支架優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.2 壓縮機(jī)支架優(yōu)化前后測(cè)試對(duì)比

將優(yōu)化前后的壓縮機(jī)支架裝機(jī)測(cè)試，通過檢測(cè)駕駛員耳旁、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、壓縮機(jī)支架處的噪聲可發(fā)現(xiàn)，測(cè)試對(duì)比結(jié)果見圖8、9、10，優(yōu)化后的壓縮機(jī)支架有效地降低了三處的噪聲。

圖8 駕駛員側(cè)噪聲對(duì)比

測(cè)試結(jié)論：模態(tài)提升后，駕駛員耳旁處無異響頻帶。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲對(duì)比

測(cè)試結(jié)論：模態(tài)提升后，發(fā)動(dòng)機(jī)艙無異響頻帶。

圖10 壓縮機(jī)支架處噪聲對(duì)比

測(cè)試結(jié)論：模態(tài)提升后，壓縮機(jī)支架處無異響頻帶。

從圖11、12的測(cè)試結(jié)果可得出結(jié)論：皮帶輪處測(cè)試Y向模態(tài)從170 Hz提升到237 Hz，提升模態(tài)后，駕駛員耳旁處、發(fā)動(dòng)機(jī)艙無異響頻帶，改善效果明顯，用戶已感知不到原來發(fā)動(dòng)機(jī)傳過來的咕咕異響。

圖11 壓縮機(jī)支架優(yōu)化前各方向模態(tài)

圖12 壓縮機(jī)支架優(yōu)化后各方向模態(tài)

4 結(jié)束語

通過對(duì)車輛存在異響故障進(jìn)行原因分析，用振動(dòng)與噪聲理論指導(dǎo)診斷鎖定故障點(diǎn)，根據(jù)理論計(jì)算優(yōu)化零件設(shè)計(jì)，將優(yōu)化零件、原來零件實(shí)車驗(yàn)證，改善效果良好，達(dá)到優(yōu)化改善目的。