收割機用柴油機輸出端異響分析與設(shè)計優(yōu)化

史文獻，張軍，張悅，李巖

1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力揚州柴油機有限責任公司， 江蘇 揚州 225009

0 引言

柴油機正常工作時轉(zhuǎn)速均勻穩(wěn)定，聲音輕微柔和，伴有規(guī)律性的機械振動和噪聲輻射[1-2]。當柴油機轉(zhuǎn)速及負荷發(fā)生變化時，聲音表現(xiàn)為連續(xù)平順性的強弱變化，如果出現(xiàn)明顯的碰撞聲、摩擦聲或者氣流噪聲，即可視為異響[3-4]。

收割機用柴油機輸出端通過飛輪、離合器與收割裝置相連，飛輪與離合器之間采用齒圈連接，如果匹配不合理，極易發(fā)生齒間撞擊異響[5-6]。

某輕型柴油機與收割機離合器匹配時，離合器處于分離狀態(tài)出現(xiàn)尖銳異響噪聲，離合器結(jié)合以后異響消失。本文中采用試驗與仿真相結(jié)合方法，從噪聲源、傳遞路徑以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)3個方面[7-9]著手，系統(tǒng)分析異響原因，提出改進方案并進行驗證，最終消除了異響。

1 故障描述

某收割機用4缸直列輕型柴油機輸出端飛輪齒圈(內(nèi)齒圈)和配套離合器系統(tǒng)由主動盤(外齒圈)、從動盤、壓盤、固定盤、輸出軸以及操縱機構(gòu)等組成，離合器總成通過螺栓固定在柴油機飛輪殼上。飛輪齒圈及離合器齒圈如圖1所示。

當該收割機離合器分離、發(fā)動機怠速時，明顯感受到在離合器附近出現(xiàn)尖銳異響聲，類似鈴聲，發(fā)動機升速過程中也同樣出現(xiàn)該聲音；離合器結(jié)合后，該異響基本感受不到。

2 輸出端異響分析

2.1 離合器工作原理

離合器分離狀態(tài)下，壓盤、主動盤、從動盤與固定盤之間留有一定軸向間隙，此時主動盤(外齒圈)在發(fā)動機飛輪齒圈(內(nèi)齒圈)帶動下空轉(zhuǎn)，離合器不輸出扭矩。

離合器接合狀態(tài)下，壓盤推動主動盤與從動盤壓在固定盤上，主動盤通過摩擦片將扭矩傳遞給從動盤，從動盤通過花鍵將扭矩傳遞到離合器輸出軸。

2.2 頻譜分析

為了排查異響根源，在發(fā)動機臺架上進行聲振對比測試，在飛輪殼與離合器接合處周圍布置加速度傳感器，飛輪殼附近布置近場麥克風，傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置示意圖

圖3為發(fā)動機怠速工況(轉(zhuǎn)速為750 r/min)離合器殼振動頻譜圖及近場噪聲頻譜圖。由圖3可知，怠速工況存在3條明顯的異響頻帶，分別位于800、1800、2700 Hz附近，特別是800 Hz附近異響能量比較明顯，而飛輪殼振動頻譜圖中主要能量為發(fā)動機2階主激勵，激勵頻率為25 Hz，振動頻譜圖未發(fā)現(xiàn)明顯的噪聲異響頻帶，排除飛輪殼本體結(jié)構(gòu)輻射噪聲。

a) 近場噪聲 b) 離合器殼振動圖3 怠速工況聲振頻譜圖

圖4為發(fā)動機升速工況下聲振頻譜圖。由圖4可知，發(fā)動機升速過程中異響頻帶一直存在，并且不具有階次性，初步斷定本次異響與某零部件自身結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，由外部激勵引起結(jié)構(gòu)共振從而產(chǎn)生表面輻射噪聲。

a) 近場噪聲 b) 離合器殼振動圖4 升速工況聲振頻譜圖

根據(jù)上述分析可知，需對動力傳動系統(tǒng)運動件進行異響排查，對發(fā)動機飛輪結(jié)構(gòu)進行重點分析。

2.3 模態(tài)仿真分析

根據(jù)頻譜分析結(jié)果對發(fā)動機飛輪進行自由模態(tài)仿真分析，飛輪簡化三維模型見圖5。飛輪前2階模態(tài)頻率為860、2000 Hz，前2階振型如圖6所示。

a) 860 Hz b) 2000 Hz圖5 飛輪三維仿真模型圖 圖6 飛輪前2階陣型

由圖6可知，飛輪前2階振型均為開合振型，飛輪外圓開口處沿徑向擺動(其中：860 Hz振型為2階次，2000 Hz振型為3階次)，模態(tài)仿真與異響頻帶相似。

2.4 模態(tài)測試分析

在臺架上進行發(fā)動機飛輪、飛輪及齒圈總成的實際狀態(tài)約束模態(tài)測試[10-11]。測試系統(tǒng)由激振部分、拾振部分、數(shù)據(jù)采集及譜分析(包括曲線擬合及模態(tài)參數(shù)識別)4部分組成，如圖7所示。模態(tài)測試中，柴油機前端指向為+x向，豎直向上為+z向，由右手定則確定+y向，采用移動傳感器法。模態(tài)測試數(shù)據(jù)采集過程的分析頻率為1024 Hz，采樣數(shù)據(jù)由多次觸發(fā)采樣(每點5次)數(shù)據(jù)組合而成，然后進行平均處理，測試結(jié)果見表1。

圖7 模態(tài)測試系統(tǒng)

由表1可知，發(fā)動機飛輪及齒圈總成前3階模態(tài)頻率與異響頻帶基本吻合，可以斷定異響為飛輪及齒圈總成引起的。

2.5 頻率響應(yīng)測試

為驗證異響為飛輪及齒圈總成引起，進一步對飛輪齒圈進行頻響試驗，模擬離合器外齒圈敲擊飛輪內(nèi)齒圈。測試方法為：在飛輪內(nèi)齒圈附近布置近場麥克風，噪聲分析頻率為20 480 Hz，頻率分辨率為1 Hz；采用模態(tài)力錘敲擊飛輪內(nèi)齒圈，間隔時間為2 s，敲擊點分布在飛輪齒圈上、下、左、右以及質(zhì)心5個測點，同時采集近場噪聲信號，近場噪聲頻譜如圖8所示。

圖8 飛輪及齒圈總成近場噪聲頻譜圖

由圖8可知，頻譜圖中出現(xiàn)非常明顯的噪聲頻帶，頻率分別為：755、1680、2700 Hz，與異響頻帶非常吻合，可以斷定本次異響根源為：離合器外齒圈撞擊飛輪內(nèi)齒圈引起飛輪共振產(chǎn)生的輻射噪聲。

3 改進措施及驗證

為了降低甚至消除異響，分別從激勵源、傳遞路徑以及響應(yīng)3方面進行分析[10-13]。

3.1 柴油機燃燒激勵優(yōu)化

柴油機燃燒均勻性直接影響離合器外齒圈與飛輪內(nèi)齒圈之間撞擊能量，最終體現(xiàn)到柴油機輸出端噪聲，因此需要評估柴油機轉(zhuǎn)速波動率。

利用INCA軟件記錄一段時間內(nèi)(本次采樣時間為45 s)柴油機怠速轉(zhuǎn)速波動情況，如圖9所示。由圖9可知，柴油機怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800 r/min左右。經(jīng)過計算,轉(zhuǎn)速波動率為0.8%，處于低轉(zhuǎn)速波動水平，說明發(fā)動機本體燃燒良好。

圖9 怠速轉(zhuǎn)速波動

3.2 飛輪剛度優(yōu)化

根據(jù)原飛輪前2階模態(tài)振型仿真結(jié)果，對飛輪外側(cè)進行結(jié)構(gòu)增強，即通過增加飛輪外側(cè)厚度，提高飛輪整體剛度，同時轉(zhuǎn)動慣量由0.8 kg·m2增大到1.0 kg·m2，改進后的飛輪結(jié)構(gòu)如圖10所示。改進后的飛輪由于剛度大，模態(tài)頻率更高，不易被激勵，結(jié)構(gòu)響應(yīng)更低，高頻率噪聲更容易衰減與阻隔。另一方面由于軸系轉(zhuǎn)動慣量增大，柴油機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提高，軸系傳遞給輸出端的激勵能量進一步降低。

圖10 改進后飛輪結(jié)構(gòu)

改進前、后兩種轉(zhuǎn)動慣量飛輪頻譜對比結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，飛輪異響頻帶發(fā)生了上移，異響頻帶由780 Hz及1650 Hz上升到1000 Hz及2300 Hz，噪聲幅值大幅度下降，發(fā)動機怠速、飛輪分離狀態(tài)近場噪聲聲壓級由93.2 dB下降到90.1 dB，主要異響頻帶能量大幅降低，降噪效果非常明顯。

a)轉(zhuǎn)動慣量為0.8 kg·m2 b)轉(zhuǎn)動慣量為1.0 kg·m2圖11 兩種轉(zhuǎn)動慣量飛輪頻譜圖

3.3 傳遞路徑優(yōu)化

飛輪殼結(jié)構(gòu)如圖12所示。該款柴油機油底殼與飛輪殼之間間隙較小，飛輪殼下部留有為便于生產(chǎn)安裝油底殼的缺口，待油底殼安裝完畢再用厚度為1.5 mm的鍍鋅板進行密封。由于飛輪殼開口形狀比較復(fù)雜且密封板較薄，極易產(chǎn)生聲音泄漏。

鑒于以上分析，在采用大慣量飛輪措施基礎(chǔ)上制定了2種方案：方案一，密封用鍍鋅擋板厚度由1.5 mm調(diào)整為3 mm；方案二，在方案一加厚鍍鋅板表面貼密封吸音棉，如圖13所示。

a)三維圖 b) 密封結(jié)構(gòu) a) 改進擋板 b)改進后飛輪殼結(jié)構(gòu)圖12 飛輪殼結(jié)構(gòu) 圖13 擋板改進結(jié)構(gòu)

為了驗證以上2種方案降噪效果，對改進后的結(jié)構(gòu)進行近場噪聲測試，測試位置布置在飛輪殼異響附近，測試狀態(tài)為發(fā)動機怠速運行且飛輪分離，測試結(jié)果如圖14所示。

a)方案一 b) 方案二圖14 擋板改進結(jié)構(gòu)頻譜圖

由圖14可知：1)方案一近場噪聲聲壓級下降到87.8 dB，相對于僅改進飛輪方案噪聲幅值降低了2.3 dB，異響頻帶沒有發(fā)生變化，異響能量幅值下降明顯；2)方案二近場噪聲繼續(xù)降低，噪聲聲壓級幅值下降到86.6 dB，相對于方案一噪聲幅值降低了1.2 dB，異響頻帶也沒有發(fā)生變化，異響能量進一步降低。

綜合上述試驗結(jié)果，最終確定方案二為最佳方案，即采用改進飛輪、改進擋板加密封吸音棉。最終方案相對于原結(jié)構(gòu)，飛輪近場噪聲總體能量聲壓級由93.2 dB下降到86.6 dB，優(yōu)化幅度達6.6 dB，改善效果明顯，同時主觀感受也良好，感覺不到敲擊異響。

4 結(jié)語

柴油機異響表現(xiàn)形式多種多樣，只有通過詳細系統(tǒng)地分析才能找到真正原因。本次異響根源在于飛輪與離合器齒間相互撞擊引起飛輪結(jié)構(gòu)共振從而產(chǎn)生較大的輻射噪聲。針對本次異響特征，主要通過提高飛輪剛度改變飛輪結(jié)構(gòu)特性、阻隔噪聲傳遞途徑來降低噪聲傳播能量，最終達到消除異響目的。