某輕型載貨汽車怠速異響分析及優(yōu)化

于友明 林文干 李浩亮 羅春明

東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院 湖北武漢 430057

本文研究的對(duì)象是某輕型載貨汽車在怠速時(shí)出現(xiàn)了明顯的“嘟嘟”“嘎啦”等異常噪聲，極大地降低了車輛聲品質(zhì),降低了顧客對(duì)其的“印象分”。

該輕型載貨汽車的剎車系統(tǒng)是由壓縮氣體帶動(dòng)。相比液壓制動(dòng)系統(tǒng)，氣剎制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)剎車反應(yīng)更迅速、剎車力更大、制動(dòng)距離更短。氣剎制動(dòng)系統(tǒng)包括打氣泵、干燥器和儲(chǔ)氣筒等[1]，打氣泵工作產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲使得該系統(tǒng)的NVH性能遠(yuǎn)差于液壓制動(dòng)系統(tǒng)，如打氣泵在打氣過程中出現(xiàn)車內(nèi)噪聲變大、座椅振動(dòng)變大和產(chǎn)生金屬敲擊聲等問題，從而嚴(yán)重影響了車內(nèi)駕駛員的乘坐舒適性[2]。

載貨汽車的氣剎制動(dòng)系統(tǒng)多采用排氣卸荷打氣泵結(jié)構(gòu)。它的工作原理為：一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)通過三角帶或齒輪驅(qū)動(dòng)打氣泵曲軸，從而驅(qū)動(dòng)打氣泵活塞進(jìn)行打氣，打出的氣體通過氣管導(dǎo)入儲(chǔ)氣筒；另一方面，儲(chǔ)氣筒又將氣體導(dǎo)入調(diào)壓閥，從而控制儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣壓。氣剎制動(dòng)系統(tǒng)利用儲(chǔ)氣筒內(nèi)的氣壓來實(shí)現(xiàn)整車剎車制動(dòng)的作用[3]。

上文中提到的怠速異響發(fā)生在打氣泵打氣過程中，打完氣后異響基本消失，由此基本推斷出異響與打氣泵直接相關(guān)。

1 怠速噪聲頻譜測(cè)試與分析

試驗(yàn)首先利用B@K PULSE振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)，測(cè)定該車怠速工況下的噪聲頻譜。測(cè)量時(shí)整車駐車定置、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、變速器掛空擋，分打氣、打滿氣兩個(gè)測(cè)試狀態(tài)（打氣是指打氣泵向儲(chǔ)氣筒泵氣，打滿氣是指儲(chǔ)氣筒打滿、泄壓閥開啟、氣泵沒有負(fù)載）。為了突出反映出怠速異響的真實(shí)感受，將麥克風(fēng)放在主駕右耳。

圖1所示的紅線是打氣過程的頻譜曲線，其異常高的峰值是376 Hz，打滿氣后峰值從49.1 dB(A)降為40.9 dB(A)，該異常峰值疑似為主觀評(píng)價(jià)的“嘟嘟”聲頻率。二者在400～4 000 Hz的頻譜幅值差異也較大，這寬頻的聲音疑似為主觀評(píng)價(jià)的“嘎啦”聲。

圖1 怠速主駕右耳噪聲頻譜圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)兩個(gè)異音的頻率推斷，使用“聲學(xué)互動(dòng)濾波”技術(shù)進(jìn)行分析。所謂“聲學(xué)互動(dòng)濾波”就是利用聲學(xué)濾波修改軟件對(duì)測(cè)量記錄的噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字互動(dòng)濾波,通過數(shù)字聲卡對(duì)濾波前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放對(duì)比,進(jìn)而直觀判斷造成異響的噪聲分量的主要頻率成分[4]。經(jīng)濾波對(duì)比回放評(píng)價(jià)，“嘟嘟”聲確定是376 Hz，但“嘎啦”頻率分布很寬，濾波400～1 000 Hz、400～2 000 Hz“嘎啦”聲均沒有消除，直至濾波400～4 000 Hz，“嘎啦”聲才被消除。

2 窄帶氣流聲的消聲方案

圖2為該車進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖。打氣泵工作時(shí)從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)取氣，壓縮空氣用于整車制動(dòng)。管道系統(tǒng)中的氣柱是一個(gè)有質(zhì)量、可壓縮的振動(dòng)體系，它具有一系列固有頻率。在氣柱靠近壓縮機(jī)一端，由于往復(fù)式壓縮機(jī)周期性地間歇吸氣和排氣，使得氣柱受到一個(gè)周期性的激振力作用，當(dāng)激振力的頻率與氣柱的某一階固有頻率相重合時(shí)，則氣柱發(fā)生對(duì)應(yīng)于該頻率的共振，使得管道內(nèi)壓力不均勻度達(dá)到一個(gè)極大值，并使管道做強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)[5]，使得噪聲值增大，并發(fā)出“嘟嘟”的打鼓聲，對(duì)駕駛員及周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)布置示意圖

根據(jù)上文試驗(yàn)結(jié)果，可以診斷該車怠速異響中的“嘟嘟”聲是空壓機(jī)工作產(chǎn)生的進(jìn)氣管路氣柱噪聲，噪聲中心頻率為376 Hz。因空壓機(jī)工作時(shí)膜片開合不可避免，因此采用被動(dòng)消聲方式，在空壓機(jī)與進(jìn)氣道之間增加進(jìn)氣消聲器，消除窄帶“嘟嘟”聲。

抗性消聲器對(duì)消除中低頻噪聲具有很好的效果，本文采用1/4波長(zhǎng)管消除376 Hz中心頻率的窄帶“嘟嘟”異響。1/4波長(zhǎng)管管長(zhǎng)L與消聲頻率f的關(guān)系為L(zhǎng)=0.25 c/f，其中c為當(dāng)?shù)芈曀?，?40 m/s，f為消聲中心頻率，為376 Hz。計(jì)算出理論管長(zhǎng)L為226 mm，驗(yàn)證階段時(shí)試制了三個(gè)長(zhǎng)度200 mm、225 mm、250 mm三種規(guī)格，分別命名為方案1.1、方案1.2和方案1.3，將1/4波長(zhǎng)管連接在空壓機(jī)到空濾器的管路之間。

分別評(píng)價(jià)、測(cè)試方案1.1、1.2、1.3，計(jì)算376 Hz±80 Hz的RMS值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。理論計(jì)算方案1.2效果最好，與實(shí)際測(cè)試相符，其將“嘟嘟”聲從51.8 dB（A）降為41.9 dB（A），降低了9.9 dB（A），主觀評(píng)價(jià)方案1.2也最優(yōu)，打氣過程“嘟嘟”聲完全消除。

表1 各方案“嘟嘟”聲比較 單位：dB（A）

3 寬頻帶機(jī)械撞擊聲的消聲方案

上文分析打氣過程的“嘎啦”聲頻域分布很寬，在濾波400～4 000 Hz時(shí)才能完全消除，且該聲音只出現(xiàn)在打氣泵泵氣過程，推測(cè)該聲音是齒輪的撞擊聲。

為精確查找400～4 000 Hz聲源位置，使用手持式聲學(xué)相機(jī)掃描怠速打氣過程發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)端面，識(shí)別400～4 000 Hz的聲源位置，見圖3，聲源集中在打氣泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的中間位置，與上文推測(cè)的打氣泵齒輪相符合。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)400～4 000 Hz聲源分布云圖

圖4是打氣過程和打滿氣后打氣泵的振動(dòng)時(shí)域曲線，打氣過程振動(dòng)明顯高于打滿氣，且打氣過程峰值有明顯的周期性，兩個(gè)峰值間隔81 ms,頻率為1/0.08=12.5 Hz。因?yàn)榇驓獗门c發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的速比是1:1，打氣泵是單個(gè)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作頻率是12.5 Hz。

圖4 打氣泵Z向振動(dòng)時(shí)域圖

打氣泵的噪聲主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)周期運(yùn)轉(zhuǎn)造成的，與齒輪撞擊關(guān)系較大，圖4b可見明顯撞擊然后衰減的信號(hào)，且最大幅值較高，齒輪嚙合過程中產(chǎn)生沖擊振動(dòng)是不可避免的，其主要是受節(jié)線沖擊和嚙合沖擊所致。齒輪嚙合時(shí),在節(jié)點(diǎn)外的其它嚙合點(diǎn)的速度方向不一致。齒面間相對(duì)滑動(dòng)引起摩擦,由于摩擦力在節(jié)點(diǎn)處突然改變方向,形成節(jié)線沖擊。此外,每當(dāng)一對(duì)輪齒進(jìn)入和脫開嚙合時(shí),輪齒上的載荷和剛度突然增加和減少,產(chǎn)生一個(gè)瞬間的切向加速度即嚙合沖擊，二者共同作用產(chǎn)生振動(dòng)[6]。

上面的沖擊振動(dòng)是主要的，其次齒輪的齒數(shù)也有影響，齒數(shù)的確定主要取決于齒輪副的工作參數(shù),如傳動(dòng)功率、轉(zhuǎn)速、中心距等。但為使齒輪副工作平穩(wěn)、均勻磨耗、工作壽命長(zhǎng),還需要從動(dòng)力學(xué)的角度，對(duì)所選定的齒數(shù)作必要的細(xì)微調(diào)整。具體來說,就是使兩齒輪齒數(shù)無公約數(shù)而使其重復(fù)嚙合頻率fc成為最小值,這就是齒數(shù)設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)依據(jù)[5]。

fc=n1·Z1/60Gmin

式中，Gmin=Z1·Z2/Gmax，n1、n2為主從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速，Z1、Z2為主從動(dòng)齒輪齒數(shù)，Gmin為主從動(dòng)齒輪的最小公約數(shù)，Gmax為主從動(dòng)齒輪的最大公約數(shù)。

若兩齒輪齒數(shù)無公約數(shù),則Gmin=Z1·Z2/Cmax達(dá)到最大值，fc達(dá)到最小值?？梢?對(duì)fc而言,無公約數(shù)的齒數(shù)設(shè)計(jì)是合理的,有公約數(shù)的齒數(shù)設(shè)計(jì)是不合理的。

3.1 消聲方式一：消隙齒輪的應(yīng)用

因修改齒形來減少?zèng)_擊振動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，故本文采用消隙齒輪被動(dòng)減弱沖擊振動(dòng)，記為方案2。

消隙齒輪由2片齒組成，見圖5。較寬的齒輪固定在打氣泵曲軸上，稱為固定輪，作用是傳遞動(dòng)力；較窄的齒輪套在固定齒輪的輪轂上，稱為浮動(dòng)輪，作用是消除齒側(cè)間隙。固定輪與浮動(dòng)輪上各有一個(gè)銷釘，兩片齒輪中間通過扭簧與銷釘?shù)呐浜袭a(chǎn)生一個(gè)預(yù)載扭矩，齒輪安裝在氣泵曲軸后擰下沉頭螺釘與另一齒輪嚙合，使固定輪的齒左側(cè)和浮動(dòng)輪的齒右側(cè)分別緊貼在惰輪軸的齒槽左、右兩側(cè)，通過這種錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)能夠消除齒側(cè)間隙、減弱嚙合沖擊。

圖5 消隙齒輪示意圖

如圖5b所示將曲軸齒輪換裝為消隙齒輪，驗(yàn)證消隙齒輪的實(shí)際降噪效果，結(jié)果如表2所示：

表2 換裝消隙齒輪車左1.0 m噪聲比較 單位：dB（A）

應(yīng)用消隙齒輪后，打氣過程車左噪聲降低3.5 dB（A），打滿氣過程降低1.0 dB（A），但是打氣較打滿氣仍是高4.5 dB（A），沒有達(dá)成目標(biāo)3 dB（A）。

3.2 消聲方式二：無公約數(shù)齒輪的應(yīng)用

圖6是發(fā)動(dòng)機(jī)后端輪系示意圖，從曲軸到惰性齒輪到氣泵齒輪，齒數(shù)是32：64：32（油泵齒輪也是32），3對(duì)嚙合齒數(shù)都有多個(gè)公約數(shù)且最大公約數(shù)為32，這會(huì)加大重復(fù)嚙合頻率fc、加大沖擊振動(dòng)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)后端輪系示意圖

應(yīng)調(diào)整齒數(shù)做到齒數(shù)無公約數(shù)，制定如表3所示的方案，其中方案3.1只修改了惰性齒輪、氣泵齒輪齒數(shù)，各嚙合齒輪齒數(shù)無公約數(shù)，但方案3.1存在“拍振”風(fēng)險(xiǎn)：打氣泵的速比是32/31=1.032，打氣泵振動(dòng)頻率為12.9 Hz，與發(fā)動(dòng)機(jī)一階頻率12.5 Hz很近。因其改動(dòng)較方案3.2小，可以實(shí)車驗(yàn)證。方案3.2打氣泵的速比仍是1:1，不存在風(fēng)險(xiǎn)。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)后端輪齒輪齒數(shù)方案統(tǒng)計(jì)表

方案3.1換裝后，怠速打氣時(shí)噪聲有改善但打滿氣后乘員感受變差、有輕微晃動(dòng)，如圖7所示出現(xiàn)一個(gè)合成正弦波，波峰間隔大約為2.6 s，頻率為0.38 Hz，這是由打氣泵12.9 Hz與12.5 Hz合成而成的。

圖7 方案3.1打滿氣后主駕滑軌Y向振動(dòng)時(shí)域圖

方案3.2換裝后，怠速打氣時(shí)噪聲有改善且沒有出現(xiàn)拍振。測(cè)試兩個(gè)方案車左1.0 m處噪聲，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。打氣過程方案3.1降噪1.9 dB（A）、方案3.2 降噪2.1 dB（A），打滿氣后方案3.1、3.2均降噪0.4 dB（A），對(duì)打氣過程降噪效果比較明顯。方案3.2沒有拍振，且打氣比打滿氣的噪聲高2.8 dB（A），小于目標(biāo)3 dB（A）。

表4 換裝無公約數(shù)齒輪車左1.0 m噪聲比較 單位：dB（A）

4 結(jié)語

本文通過噪聲頻譜分析、“聲學(xué)互動(dòng)濾波”技術(shù)分析證明怠速異響存在兩個(gè)問題，即窄帶氣流聲和寬頻帶機(jī)械撞擊聲。

窄帶氣流聲通過設(shè)計(jì)1/4波長(zhǎng)管成功消除，問題頻段噪聲降低9.9 dB（A），氣剎的載貨汽車多有這類噪聲，已經(jīng)將該技術(shù)成功應(yīng)用到多數(shù)氣制動(dòng)車型。

寬頻帶機(jī)械撞擊聲通過聲學(xué)相機(jī)、打氣泵振動(dòng)分析定位為打氣泵齒輪，通過消隙齒輪、齒數(shù)無公約數(shù)設(shè)計(jì)成功消除，駕駛室左1.0 m處噪聲聲壓級(jí)降低5.6 dB（A），且打氣過程比打滿氣噪聲高2.8 dB（A），小于目標(biāo)3 dB（A）。