某發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系張緊器異響分析及改進(jìn)

樊小歡，劉剛，楊汶坪，周新偉

1.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司 動(dòng)力研究院，重慶 400023；2.蓋茨集團(tuán)(上海)有限公司，上海 200335

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)(front end accessory drive，F(xiàn)EAD)系統(tǒng)是由皮帶和若干皮帶輪組成的傳動(dòng)系統(tǒng)。為避免皮帶長(zhǎng)時(shí)間工作后因塑性變形導(dǎo)致的皮帶打滑，常常在FEAD系統(tǒng)增加自動(dòng)張緊器[1-2]。目前常用的自動(dòng)張緊器按照結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)械張緊器和液壓張緊器。機(jī)械張緊器主要由張緊臂(張緊器殼體)、張緊輪、螺旋彈簧和阻尼元件等組成，其中，螺旋彈簧的主要作用是提供扭矩，阻尼元件的主要作用是提供摩擦力[3-4]。

本文中針對(duì)某機(jī)械張緊器特定轉(zhuǎn)速異響問(wèn)題，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和共振轉(zhuǎn)速理論分析了一系列異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)的內(nèi)在關(guān)聯(lián),得到了異響產(chǎn)生的原因并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，同時(shí)也為旋轉(zhuǎn)件類似問(wèn)題提供了一種分析方法。

1 理論基礎(chǔ)

當(dāng)激勵(lì)的某簡(jiǎn)諧分量的頻率或諧頻與系統(tǒng)的某固有頻率相等時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振，理論振幅將變?yōu)闊o(wú)窮大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為共振轉(zhuǎn)速(或臨界轉(zhuǎn)速)[5]，計(jì)算公式為：

(1)

式中：nc為共振轉(zhuǎn)速，r/min；fn為系統(tǒng)的固有頻率，Hz；v為簡(jiǎn)諧次數(shù)。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系，曲軸皮帶輪的扭振為主要激勵(lì)源,四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸皮帶輪扭振的主要激勵(lì)諧次為2、4、6、8、10等偶數(shù)階次[6]，即

v=2i

(2)

式中i為正整數(shù)。

將式(2)帶入式(1)中，可得：

(3)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)異響原因分析及優(yōu)化

2.1 問(wèn)題描述

某發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)前期，在臺(tái)架大負(fù)荷加速試驗(yàn)過(guò)程中，前端輪系在特定轉(zhuǎn)速點(diǎn)出現(xiàn)尖銳異響，異響表現(xiàn)為4500～10 000 Hz的寬頻噪聲特征，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)。發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系噪聲頻譜如圖1所示。由圖1可知，5個(gè)異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1720、2065、2580、3440、5160 r/min。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系噪聲頻譜圖

拆下皮帶后，異響消失，初步判定為發(fā)動(dòng)機(jī)附件輪系旋轉(zhuǎn)件異響。利用聲學(xué)定位技術(shù)[7]，識(shí)別出異響源位于前端輪系張緊器附近，更換張緊器類似異響現(xiàn)象仍然存在，異響程度有變化，但出現(xiàn)異響的轉(zhuǎn)速點(diǎn)不變。定制鎖死張緊器樣件進(jìn)行驗(yàn)證，異響消失，判定為該系列張緊器批量性異響問(wèn)題。

2.2 原因分析

2.2.1 固有頻率計(jì)算

為分析該系列張緊器異響的原因，需首先確定異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)之間的聯(lián)系。異響在特定轉(zhuǎn)速點(diǎn)才出現(xiàn)，應(yīng)與張緊器自身的固有頻率有關(guān)，這些異響轉(zhuǎn)速是與該固有頻率相關(guān)的共振轉(zhuǎn)速。

由式(3)可知，系統(tǒng)的固有頻率fn=2inc/60。由此可得各異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)的振動(dòng)頻率，如表1所示。由表1可知，前端輪系一系列異響轉(zhuǎn)速均與344 Hz這一頻率高度相關(guān)。

表1 各異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)振動(dòng)頻率

2.2.2 張緊器模態(tài)分析

該張緊器主要由張緊器主殼體、前端蓋、張緊輪、螺旋彈簧和阻尼元件組成，其中螺旋彈簧作為提供扭矩的組件，自身的模態(tài)頻率較低[8-9]，可能為張緊器異響源。建立該張緊器的有限元模型[10-14]，如圖2所示。模型包括316 249個(gè)網(wǎng)格單元和153 703個(gè)節(jié)點(diǎn)，在張緊器螺栓安裝孔位置做固定約束，螺旋彈簧處于實(shí)際裝配狀態(tài)。張緊器各零部件材料屬性如表2所示，按照表2的相應(yīng)參數(shù)對(duì)仿真模型賦予材料屬性。

表2 張緊器各零部件材料屬性

圖2 張緊器有限元模型

對(duì)建立的張緊器模型進(jìn)行模態(tài)仿真分析，得到螺旋彈簧的前兩階模態(tài)，如圖3所示。

由圖3計(jì)算得到張緊器螺旋彈簧的一階軸向伸縮變形模態(tài)頻率為347 Hz，一階彎曲變形模態(tài)頻率為480 Hz。其中一階軸向伸縮變形模態(tài)頻率與表1中344 Hz頻率十分接近，兩者相差不足1%，工程中可以認(rèn)為兩者相等[15]。據(jù)此推測(cè)異響與張緊器螺旋彈簧的軸向變形有關(guān)，當(dāng)張緊器受到的激勵(lì)頻率與螺旋彈簧的伸縮變形模態(tài)頻率接近時(shí)，螺旋彈簧產(chǎn)生軸向共振，伸縮變形很大，異響很可能因此產(chǎn)生。

a) 第一階：一階伸縮變形模態(tài) b) 第二階：一階彎曲變形模態(tài)圖3 張緊器螺旋彈簧前兩階模態(tài)

2.2.3 張緊器拆解

a)彈簧 b) 張緊器卡槽凸臺(tái)圖4 劃痕位置示意圖

根據(jù)前述測(cè)試結(jié)果，選擇異響嚴(yán)重的張緊器進(jìn)行耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)張緊器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)螺旋彈簧與張緊器主殼體以及端蓋之間存在多處摩擦痕跡。但大多的摩擦位置屬于一直接觸狀態(tài)，這些位置如果產(chǎn)生摩擦噪聲，將一直存在，而不是只在某些特定的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)。仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)彈簧上還有一處非正常接觸摩擦痕跡，位于彈簧從底部往上數(shù)的第二圈彈簧上。根據(jù)張緊器實(shí)際工作中的扭轉(zhuǎn)角度，經(jīng)過(guò)配合安裝發(fā)現(xiàn)，該劃痕的周向位置與張緊器殼體底部卡槽凸臺(tái)位置相對(duì)應(yīng)，且在該卡槽凸臺(tái)上也存在劃痕。彈簧與張緊器卡槽凸臺(tái)劃痕位置如圖4所示。

據(jù)此推測(cè)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭振激勵(lì)頻率與彈簧的伸縮模態(tài)頻率相近時(shí)，彈簧軸向伸縮變形很大，與張緊器殼體底部卡槽凸臺(tái)發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生摩擦噪聲。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)異響產(chǎn)生原因，針對(duì)性地制定兩種優(yōu)化方案。方案一：將對(duì)應(yīng)摩擦位置的殼體打孔，用注射器在相應(yīng)位置加潤(rùn)滑脂，避免干摩擦；方案二：適當(dāng)磨削凸臺(tái)高度，盡可能避免摩擦。

對(duì)方案一和方案二進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，兩個(gè)方案噪聲頻譜如圖5所示。

由圖5可知，方案一和方案二噪聲頻譜圖中4500～10 000 Hz的寬頻時(shí)異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)異響特征明顯減弱或消失，也未聽(tīng)到之前的異響聲音，這兩個(gè)方案對(duì)異響均有很好的控制效果，至此將異響源鎖定為張緊器殼體底部卡槽凸臺(tái)與底部第二圈彈簧非正常接觸摩擦。

圖5 兩個(gè)方案噪聲頻譜圖

2.4 最優(yōu)方案確定

對(duì)方案一、二進(jìn)行耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證兩方案的實(shí)際改進(jìn)效果。

方案一在運(yùn)行一段時(shí)間后，摩擦位置最初的油膜遭到破壞，導(dǎo)致異響重新出現(xiàn)。

方案二在工程中容易操作，但如果卡槽凸臺(tái)高度過(guò)低，不能保證對(duì)底部第一圈彈簧的限制作用，導(dǎo)致張緊器失效，故需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)試驗(yàn)，凸臺(tái)高度降低約1 mm，就能使異響得到很好控制，并能保證對(duì)底部第一圈彈簧的限制，且方案二只需進(jìn)行一次生產(chǎn)模具修型即可。因此確定方案二為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

1)異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)與張緊器螺旋彈簧的一階拉伸模態(tài)頻率一一對(duì)應(yīng)，螺旋彈簧產(chǎn)生了轉(zhuǎn)速共振造成了異響。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振激勵(lì)頻率與彈簧的伸縮模態(tài)頻率相近時(shí)，彈簧軸向伸縮變形很大，與殼體底部卡槽凸臺(tái)干涉，產(chǎn)生摩擦噪聲。

針對(duì)該異響原因提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，確定最優(yōu)方案為：對(duì)生產(chǎn)模具進(jìn)行修型，將凸臺(tái)高度降低1 mm，可有效控制該異響。