某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)振動(dòng)噪音的優(yōu)化

葉風(fēng)旺

(東南(福建)汽車(chē)工業(yè)有限公司,福建 福州 350119)

隨著車(chē)輛的應(yīng)用普及,人們生活水平的提高,人們對(duì)汽車(chē)性能的要求除在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性方面之外,對(duì)車(chē)輛的舒適性的要求也越來(lái)越高,良好的駕駛操作性能、舒適的駕乘環(huán)境漸漸成為現(xiàn)代汽車(chē)的重要標(biāo)志。NVH(Noise、Vibration、Harshness)已成為人們駕車(chē)使用的關(guān)注重點(diǎn),現(xiàn)車(chē)輛NVH 的研究已貫穿在整個(gè)汽車(chē)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程,找出影響車(chē)輛乘坐舒適性的激勵(lì)源,通過(guò)改善激勵(lì)源振動(dòng)狀況或控制激勵(lì)源振動(dòng)噪音向車(chē)室內(nèi)的傳遞來(lái)提高乘坐舒適性。

發(fā)動(dòng)機(jī)是車(chē)輛的核心部件,是主要噪聲振動(dòng)激勵(lì)源,正時(shí)系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,其振動(dòng)噪音問(wèn)題受到廣泛關(guān)注,其N(xiāo)VH 性能對(duì)車(chē)輛的乘坐舒適性具有重要意義。本文以一款SUV 車(chē)型開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)明顯的振動(dòng)噪音問(wèn)題為例,使用LMS40通道數(shù)采,采集不同工況下車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪音信號(hào),分析為發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)的影響,并通過(guò)對(duì)正時(shí)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)分析、從而提出正時(shí)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,有效地降低了車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪音,提升了車(chē)輛乘坐的舒適性。

1 故障分析

1.1 主觀(guān)評(píng)價(jià)

在對(duì)一款SUV 樣車(chē)主觀(guān)評(píng)價(jià)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)一種異常噪音：在車(chē)輛加速后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回落在2500～3000r/min 的工況下,在車(chē)內(nèi)能夠感覺(jué)到明顯刺耳的嘯叫聲,對(duì)耳膜有一定的壓迫感,大幅影響車(chē)輛車(chē)坐的舒適性。

1.2 樣車(chē)振動(dòng)頻率分析

針對(duì)車(chē)輛加速的工況下出現(xiàn)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題,在該工況下進(jìn)行樣車(chē)的正駕、副駕振動(dòng)噪音信號(hào)檢測(cè),正副駕右耳均存在明顯18 階噪聲,其中正駕右耳旁振動(dòng)噪音信號(hào)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1 三維Waterfall Plot 圖譜。

圖1 正駕右耳18 階Waterfall Plot 圖譜

正時(shí)系統(tǒng)齒輪嚙合頻率公式[1]：

式中：n- 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min；

z- 齒輪齒數(shù)。

該SUV 樣車(chē)正時(shí)系統(tǒng)的曲軸齒輪為18 齒,根據(jù)上述三維Waterfall Plot 圖譜存在明顯18 階噪聲,及正時(shí)系統(tǒng)齒輪嚙合頻率公式,依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、頻率f,可推算齒輪齒數(shù)z 符合正時(shí)系統(tǒng)曲軸齒輪的齒數(shù),可以判斷,該SUV 樣車(chē)的噪音激勵(lì)源應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)系統(tǒng)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

噪音的控制必須從激勵(lì)源的控制、傳播途徑的控制和接受者保護(hù)三方面考慮[1],針對(duì)該SUV 車(chē)型正時(shí)系統(tǒng)鏈傳動(dòng)的振動(dòng)噪音問(wèn)題,其中激勵(lì)源噪音控制可從設(shè)計(jì)、制造、材料和結(jié)構(gòu)等方面考慮,通過(guò)優(yōu)化調(diào)整正時(shí)系統(tǒng)張緊力和張緊器位置、及制造工藝、材料的進(jìn)行確認(rèn)管控,但優(yōu)化效果有限,擬考慮變更正時(shí)系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu),分析如下：

2.1 正時(shí)系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)一般有三種形式: 皮帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng),對(duì)于低功率小扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī),一般選擇皮帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng),鏈傳動(dòng)噪音會(huì)比皮帶傳動(dòng)大,但皮帶傳動(dòng)使用后會(huì)產(chǎn)生磨損、老化,而鏈傳動(dòng)基本不需要維護(hù),且結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性與耐磨性高等顯著優(yōu)點(diǎn),克服了齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)性能上的某些先天不足。

在傳動(dòng)鏈中,根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,可分為兩種類(lèi)型,滾子鏈和齒形鏈,齒形鏈工作時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn),噪音和振動(dòng)很小,又稱(chēng)無(wú)聲鏈[2]。

2.2 正時(shí)系統(tǒng)鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上正時(shí)系統(tǒng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi),該SUV 車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)為鏈傳動(dòng),且為滾子鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu),接下來(lái)重點(diǎn)分析鏈傳動(dòng)的滾子鏈、齒形鏈兩種結(jié)構(gòu)及其嚙合特點(diǎn)。

2.2.1 正時(shí)滾子鏈的結(jié)構(gòu)及嚙合特點(diǎn)

如圖2,滾子鏈由內(nèi)鏈板1、外鏈板2、銷(xiāo)軸3、套筒4 和滾子5 組成,其中內(nèi)鏈板壓裝在套筒兩端(過(guò)盈配合)、外鏈板壓裝在銷(xiāo)軸兩端(過(guò)盈配合)并對(duì)銷(xiāo)軸頭部進(jìn)行鉚合,分別稱(chēng)為內(nèi)鏈節(jié)、外鏈節(jié),內(nèi)外鏈節(jié)構(gòu)成了一對(duì)鉸鏈副,滾子與套筒,套筒與銷(xiāo)軸均為間隙配合。

圖2 滾子鏈的結(jié)構(gòu)

當(dāng)滾子鏈在鏈輪上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于鏈節(jié)是剛性的,鏈條滾子與鏈輪每次嚙合時(shí),多邊形效應(yīng)都使整個(gè)一邊鏈條抬升又落下；同時(shí)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)過(guò)一齒,鏈速度由小變大,由大變小一次；嚙進(jìn)的滾子開(kāi)始與鏈輪齒不接觸,然后在一個(gè)瞬間突然完全接觸,這種運(yùn)動(dòng)特性使?jié)L子鏈的瞬時(shí)鏈速和瞬時(shí)傳動(dòng)比都是變化的。當(dāng)鏈節(jié)以一定相對(duì)速度與鏈輪嚙合瞬間,將產(chǎn)生沖擊和動(dòng)載荷,節(jié)距越大、鏈輪轉(zhuǎn)速越高時(shí)沖擊也越大[2]。滾子鏈傳動(dòng)中滾子與輪齒沖擊及其造成的振動(dòng)是大部分噪音的來(lái)源[3]。

2.2.2 正時(shí)齒形鏈的結(jié)構(gòu)及嚙合特點(diǎn)

如圖3,齒形鏈由鏈板1、導(dǎo)板2 和銷(xiāo)軸3 組成,其中導(dǎo)板壓裝在銷(xiāo)軸兩端(過(guò)盈配合)并對(duì)銷(xiāo)軸頭部進(jìn)行鉚合,銷(xiāo)軸與鏈板孔為間隙配合,這樣銷(xiāo)軸與鏈板構(gòu)成了一對(duì)鉸鏈副。

齒形鏈與鏈輪輪齒嚙合時(shí),由于齒形鏈鏈輪齒形為漸開(kāi)線(xiàn)齒形,漸開(kāi)線(xiàn)齒形的鏈輪與齒形鏈嚙合是通過(guò)鏈輪漸開(kāi)線(xiàn)齒廓和鏈板工作齒廓嚙合,使其類(lèi)似于共軛嚙合傳動(dòng),因而工作平穩(wěn)[4]。

圖3 齒形鏈的結(jié)構(gòu)

以上結(jié)構(gòu)分析,針對(duì)滾子鏈、齒形鏈的兩種鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu),滾子鏈在嚙合過(guò)程中,滾子以幾乎90°的入射角接近鏈輪齒面并與鏈輪齒面發(fā)生沖擊,滾子的旋轉(zhuǎn)能等能量大部分都轉(zhuǎn)化成沖擊時(shí)的噪聲能,產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊的振動(dòng)噪音。而齒形鏈的嚙合過(guò)程,則鏈節(jié)以幾乎0°的入射角接近鏈輪齒面并與相對(duì)齒面產(chǎn)生滑動(dòng)因而沖擊很小,鏈節(jié)和鏈輪的沖擊能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦能,轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊噪聲的能量大幅減少,嚙合時(shí)沖擊振動(dòng)噪聲降低,自身產(chǎn)生的聲音也較柔和[5]。且齒形鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)工作鏈板與鏈輪齒的漸開(kāi)線(xiàn)齒形進(jìn)行嚙合傳動(dòng),具有噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。另滾子鏈的磨損,它的內(nèi)節(jié)和外節(jié)的實(shí)際節(jié)距逐漸不同,外節(jié)節(jié)距變得愈來(lái)愈大,從而降低了傳動(dòng)精度,而齒形鏈各鏈節(jié)因磨損而伸長(zhǎng)是均勻的,因此保持有較高的運(yùn)動(dòng)精度。

由此可見(jiàn),齒形鏈具有沖擊振動(dòng)噪音小、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn),故針對(duì)該SUV 車(chē)型正時(shí)系統(tǒng)鏈傳動(dòng)的振動(dòng)噪音問(wèn)題,選擇優(yōu)化該SUV 車(chē)型的鏈輪結(jié)構(gòu),將其正時(shí)系統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由滾子鏈變更為齒形鏈。

2.3 單品臺(tái)架驗(yàn)證

準(zhǔn)備3 臺(tái)該SUV 車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī),將其中2 臺(tái)正時(shí)系統(tǒng)的鏈傳動(dòng)由滾子鏈更改為齒形鏈,展開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架振動(dòng)噪音比較測(cè)試,安裝位置如圖4,試驗(yàn)結(jié)果XYZ 向的振動(dòng)能量如圖5 所示。

圖4 單品臺(tái)架安裝示意圖

圖5 臺(tái)架各向振動(dòng)能量圖

從圖5 所示加速工況的振動(dòng)能量圖上看,正時(shí)齒形鏈系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比滾子鏈系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),18 階振動(dòng)X 向降幅最大,效果最明顯,Y 向次之,Z 向降幅最?。积X形鏈系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比滾子鏈系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在XYZ 各方向振動(dòng)能量均有明顯降幅。

2.4 實(shí)車(chē)測(cè)試分析

分別采用正時(shí)滾子鏈發(fā)動(dòng)機(jī)、和優(yōu)化后的正時(shí)齒形鏈發(fā)動(dòng)機(jī)的兩部樣車(chē),進(jìn)行實(shí)車(chē)主觀(guān)評(píng)價(jià),正時(shí)齒形鏈發(fā)動(dòng)機(jī)已無(wú)明顯嘯叫音；同時(shí)分別在兩部車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙、正駕、副駕、右后席布置LMS40 數(shù)采通道,進(jìn)行怠速、三檔全油門(mén)加速工況下驗(yàn)證齒輪鏈發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)NVH 性能的影響,其中怠速工況下正駕右耳旁前后噪音變化如圖6 所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后正駕右耳旁噪音對(duì)比

從圖6 可以看出,怠速工況下齒形鏈對(duì)車(chē)內(nèi)噪音改善明顯,降低10～15dB；全油門(mén)加速工況工況下前后噪音變化趨勢(shì)基本同怠速工況,齒形鏈對(duì)車(chē)內(nèi)噪音也改善明顯；且整車(chē)NVH 測(cè)試齒形鏈,三維Waterfall Plot 圖譜顯示對(duì)應(yīng)的正副駕右耳23 階次噪聲并不明顯(齒形鏈的曲軸齒輪為23 齒)。

綜上所述,齒形鏈正時(shí)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在單品臺(tái)架振動(dòng)能量、樣車(chē)的實(shí)車(chē)主觀(guān)評(píng)價(jià)及客觀(guān)振動(dòng)噪音數(shù)據(jù)比較,均有大幅改善,故該SUV 車(chē)型的發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由滾子鏈更改為齒形鏈系統(tǒng)的優(yōu)化效果明顯,方案可行并展開(kāi)實(shí)施。

3 結(jié)論

汽車(chē)舒適性是與使用者聯(lián)系最為密切的性能,提高乘坐舒適性已成為汽車(chē)制造商和使用者追求目標(biāo),特別是降低汽車(chē)振動(dòng)噪音更受關(guān)注,良好的汽車(chē)舒適性能保證駕駛者的平穩(wěn)情緒、快速的反應(yīng)速度進(jìn)而保證行車(chē)的安全性。通過(guò)對(duì)SUV 開(kāi)發(fā)過(guò)程中正時(shí)鏈振動(dòng)噪音現(xiàn)象識(shí)別、正時(shí)鏈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相關(guān)驗(yàn)證；在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及加速工況下振動(dòng)噪音是由發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)源造成的,通過(guò)對(duì)正時(shí)系統(tǒng)鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,大幅降低其造成的振動(dòng)噪音,有效的提升車(chē)輛乘坐的舒適性。因此,在汽車(chē)新車(chē)型開(kāi)發(fā)的NVH 驗(yàn)證過(guò)程中,要特別重視正時(shí)系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)振動(dòng)噪聲等方面的影響；在設(shè)計(jì)的初期需要充分考慮正時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),提前選擇正時(shí)鏈的結(jié)構(gòu),避免在新車(chē)型開(kāi)發(fā)后期進(jìn)行變更而增加時(shí)間及成本方面的投入。