發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)噪聲分析與異響診斷

李 蕓

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 前言

有數(shù)據(jù)顯示，三分之一的汽車故障問題與噪聲振動有關(guān)。汽車行業(yè)相關(guān)公司25%的研發(fā)費(fèi)用，都用來解決汽車的噪聲問題。汽車的噪聲來自不同的噪聲源，發(fā)動機(jī)是最主要的噪聲源。發(fā)動機(jī)零件在運(yùn)行過程中發(fā)生故障時，往往也會使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動或者發(fā)生異響。研究發(fā)動機(jī)零件噪聲，并進(jìn)行分析是判斷發(fā)動機(jī)是否正常工作的重要依據(jù)。因此，研究發(fā)動機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及優(yōu)化措施，對于發(fā)動機(jī)的故障診斷和預(yù)判，以及對汽車平順性、隱蔽性和乘坐舒適性都具有重要意義。配氣正時系統(tǒng)是影響發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，對其噪聲控制要求也越來越高。

1 發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)噪聲分析

發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)的噪聲主要來自于兩方面：一部分噪聲由發(fā)動機(jī)正時零件產(chǎn)生，該部分零件主要包括正時皮帶、相位調(diào)節(jié)器、曲軸鏈輪、張緊輪及導(dǎo)向輪；另一部分噪聲則來自于機(jī)體外部的振動現(xiàn)象。正時系統(tǒng)的噪聲會引起周圍空氣的波動，并形成噪聲輻射[1]。

1.1 正時皮帶的噪聲特性

發(fā)動機(jī)在急加速或急減速的過程中，曲軸的轉(zhuǎn)速波動及發(fā)動機(jī)的工況變化都會使正時皮帶產(chǎn)生抖動和打滑。在正時皮帶壓力的作用下，張緊輪也可能出現(xiàn)大幅擺動的現(xiàn)象[2]。在傳動過程中，正時皮帶會受到橫向、縱向和軸向3個方向的振動影響。其中，影響最大的為橫向振動。由于正時皮帶輪和齒輪處于粘合狀態(tài)，因此產(chǎn)生了橫向振動(由嚙合過程產(chǎn)生)，其振動方向垂直于正時皮帶[3]。

如圖1所示，在用不同的初始張緊力安裝正時皮帶時，在正時罩殼和發(fā)動機(jī)懸架上采集到了振動信號。在測試過程中，使發(fā)動機(jī)以怠速工況運(yùn)轉(zhuǎn)，并將冷卻水溫度控制在90 ℃，將機(jī)油溫度控制在95 ℃。通過測試，發(fā)現(xiàn)正時皮帶的張緊力和振動之間沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 正時皮帶的振動信號與張緊力的關(guān)系曲線

如改變正時皮帶的尺寸，正時皮帶的抗彎剛度也會相應(yīng)改變，從而影響到正時系統(tǒng)的振動特性。圖2示出了正時皮帶的齒距寬度和背部厚度。

圖2 正時皮帶的齒距寬度和背部厚度

采用具有不同厚度和不同寬度的正時皮帶開展了交叉試驗(yàn)，并通過安裝在正時罩殼上的振動傳感器來采集振動信號。具有不同尺寸的正時皮帶的噪聲曲線如圖3所示。

圖3 正時皮帶噪聲與正時皮帶寬度及厚度的關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，增大正時皮帶的背部厚度能減小正時系統(tǒng)的噪聲。根據(jù)正時皮帶的這一特性，歸納的影響正時皮帶噪聲的相關(guān)因素如圖4所示。

圖4 影響正時皮帶噪聲的相關(guān)因素

1.2 相位調(diào)節(jié)器的噪聲特性

在工作過程中，需要采取一定的措施，以避免相位調(diào)節(jié)器的嚙合頻率和正時皮帶的固有頻率發(fā)生重疊。因?yàn)樯鲜銮闆r會產(chǎn)生共振，從而引發(fā)異響。此外，零件的裝配誤差也會引發(fā)相位調(diào)節(jié)器的異響，其異響故障原因如圖5所示。

圖5 相位調(diào)節(jié)器產(chǎn)生異響的原因分析

對相位調(diào)節(jié)器產(chǎn)生異響的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在相位調(diào)節(jié)器的異響分析和優(yōu)化過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注螺釘、前蓋板、轉(zhuǎn)子及密封刮片的安裝狀態(tài)。

對相位調(diào)節(jié)器內(nèi)部機(jī)油泄漏量和正時系統(tǒng)振動現(xiàn)象之間的關(guān)系進(jìn)行研究。使用牌號為5W40的機(jī)油，并將機(jī)油溫度控制在100 ℃，將機(jī)油壓力控制在0.1 MPa。分別測試了5個相位調(diào)節(jié)器的內(nèi)部機(jī)油泄漏量，并將上述5個相位調(diào)節(jié)器均配裝到試驗(yàn)發(fā)動機(jī)上。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)以怠速工況運(yùn)行，從而便于試驗(yàn)人員及時采集正時罩殼上的振動信號。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 相位調(diào)節(jié)器振動信號與內(nèi)部機(jī)油泄漏量的關(guān)系曲線

隨著相位調(diào)節(jié)器內(nèi)部機(jī)油泄漏量的增加，正時系統(tǒng)的振動現(xiàn)象出現(xiàn)了逐步增大的趨勢。當(dāng)內(nèi)部機(jī)油泄漏量超過500 mL/min，振動幅值產(chǎn)生了明顯變化。

1.3 張緊輪的噪聲特性

在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力會使正時皮帶受到周期性的沖擊。張緊器的功能是將正時皮帶的張緊力控制在正常的范圍內(nèi)，并緩解上述周期性沖擊所引起的正時皮帶振動現(xiàn)象[4]。此外，過大或過小的張緊力也會使正時系統(tǒng)出現(xiàn)異常。需要采用合適的張緊器來改善上述情況。張緊器的工作原理是通過內(nèi)部的彈簧阻尼機(jī)構(gòu)，來產(chǎn)生一定的阻尼。該阻尼會隨外力(皮帶壓力)發(fā)生變化，從而控制張緊力的大小。張緊輪的調(diào)節(jié)如圖7所示。

圖7 張緊輪的調(diào)節(jié)過程示意圖

張緊輪的異響主要由自身尺寸誤差或機(jī)油泄漏所致。針對張緊輪異響的原因分析如圖8所示。

圖8 針對張緊輪異響的原因分析

1.4 導(dǎo)向輪、靜音惰輪及減振器對正時系統(tǒng)噪聲的影響

在正時傳動系統(tǒng)中，導(dǎo)向輪和靜音惰輪能改變帶輪的包角大小和嚙合齒數(shù)，減小齒輪之間的皮帶跨度及皮帶振幅[5-6]。將減振器安裝在發(fā)動機(jī)支架和吊裝懸掛之間，用于減小發(fā)動機(jī)和機(jī)艙零件之間的噪聲激勵。在減小正時系統(tǒng)噪聲方面，該減振器所起到的效果并不明顯，因此在正時系統(tǒng)上安裝1個靜音惰輪，如圖9所示。

圖9 安裝在正時系統(tǒng)上的靜音惰輪

將冷卻水溫保持在90 ℃，并使發(fā)動機(jī)以怠速工況運(yùn)行。在安裝靜音惰輪時，分別采集正時罩殼處的振動參數(shù)，并進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。對比結(jié)果顯示，通過安裝靜音惰輪，能有效抑制正時系統(tǒng)的振動。

圖10 靜音惰輪對系統(tǒng)噪聲的影響

2 正時系統(tǒng)異響的診斷分析

2.1 正時系統(tǒng)異響診斷流程

根據(jù)正時系統(tǒng)的噪聲特性，得出了正時系統(tǒng)噪聲的來源，主要如下：①正時系統(tǒng)隨曲軸周期運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲；②正時系統(tǒng)零件所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲；③發(fā)動機(jī)燃燒過程所產(chǎn)生的振動傳遞至正時系統(tǒng)，引發(fā)了共振，并產(chǎn)生噪聲；④發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)振動傳遞至正時系統(tǒng)，引發(fā)了共振，并產(chǎn)生噪聲；⑤來自汽車其他零件的振動傳遞至正時系統(tǒng)，引發(fā)了共振，并產(chǎn)生噪聲。

根據(jù)發(fā)動機(jī)特征、正時系統(tǒng)功能、噪聲特性及噪聲來源，開發(fā)了用于解決正時系統(tǒng)異響現(xiàn)象的診斷流程，對正時系統(tǒng)異響現(xiàn)象進(jìn)行了分析和優(yōu)化，如圖11所示。

圖11 針對正時系統(tǒng)異響現(xiàn)象的診斷流程

2.2 正時系統(tǒng)異響診斷案例

2.2.1 正時皮帶異響診斷

當(dāng)某款發(fā)動機(jī)處于怠速工況時，隨著冷卻水溫的升高，正時皮帶也出現(xiàn)了明顯的異響。提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速后，異響隨即消失。圖12為對正時皮帶異響進(jìn)行頻譜分析所得出的結(jié)果。

圖12 正時皮帶異響頻譜分析結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，正時皮帶在600～620 Hz頻率范圍內(nèi)的振幅明顯偏大，因此對怠速時的齒輪嚙合頻率進(jìn)行了計算。由于發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速范圍為800～850 r/min，相位調(diào)節(jié)器和曲軸鏈輪齒數(shù)分別為44齒和22齒，則相位調(diào)節(jié)器的嚙合頻率范圍為586～623 Hz，曲軸鏈輪的嚙合頻率范圍為293～311 Hz。由于相位調(diào)節(jié)器和正時皮帶間產(chǎn)生了共振，因此引發(fā)了上述異響情況。

關(guān)閉了VVT調(diào)節(jié)閥后，停用了相位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)功能，但異響仍未消失。在調(diào)節(jié)了張緊輪的指針，并減小了張緊力，異響終于消失了。對正時皮帶進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)該款正時皮帶不存在質(zhì)量問題。重新采用了同型號的正時皮帶進(jìn)行試驗(yàn)，異響并未重復(fù)出現(xiàn)。由此可知，上述異響問題主要由正時皮帶的張緊力引起。發(fā)動機(jī)的熱膨脹現(xiàn)象會使正時皮帶的齒距變大，由于正時皮帶的延展性較差，因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)水溫上升后，正時皮帶會變得更緊[7]。在該情況下，正時皮帶的固有頻率會發(fā)生變化，并與齒輪產(chǎn)生共振，引發(fā)一系列噪聲。對正時皮帶的安裝工藝進(jìn)行追溯，發(fā)現(xiàn)在部分發(fā)動機(jī)的正時皮帶安裝過程中，裝配人員沒有對相位調(diào)節(jié)器采用預(yù)擰緊后的反松操作，使得正時皮帶的張緊力過大。為了驗(yàn)證上述假設(shè)，以錯誤的方式對正時系統(tǒng)進(jìn)行再次裝配。當(dāng)發(fā)動機(jī)投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)在怠速工況下，正時系統(tǒng)再次出現(xiàn)了異響。以吊裝懸掛的方式，在發(fā)動機(jī)上安裝了減振器，但異響仍然存在。在正時系統(tǒng)上安裝了靜音惰輪，異響消失。由此證明，裝配人員采用了錯誤的安裝工藝，導(dǎo)致正時皮帶張緊力過大，從而引發(fā)了上述異響現(xiàn)象。

在處理A型號正時皮帶異響過程中，依據(jù)上文提到的診斷流程，對故障進(jìn)行了排查。當(dāng)將引發(fā)異響的A型號正時皮帶替換為其他的A型號正時皮帶時，發(fā)現(xiàn)異響并未消除。隨即將A型號正時皮帶再次更換為B型號正時皮帶，異響消失。針對上述2款正時皮帶異響的頻譜分析如圖13所示。

圖13 針對正時皮帶異響的頻譜分析結(jié)果

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異響現(xiàn)象的A型號正時皮帶的背部厚度比B型號正時皮帶要小3 mm。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于900 r/min的怠速工況時，會與嚙合頻率為660 Hz的相位調(diào)節(jié)器產(chǎn)生共振，從而引發(fā)異響。因此，對A型號正時皮帶的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。

2.2.2 相位調(diào)節(jié)器異響診斷

某款發(fā)動機(jī)在1 000～1 100 r/min的轉(zhuǎn)速工況下出現(xiàn)了異響。根據(jù)診斷流程，研究人員拔掉了VVT調(diào)節(jié)閥，異響消失。針對該款發(fā)動機(jī)正時皮帶異響的頻譜分析如圖14所示。

圖14 針對某款發(fā)動機(jī)正時皮帶異響的頻譜分析結(jié)果

異響的頻率范圍與730～810 Hz的嚙合頻率相對應(yīng)，此處為非共振頻率，是皮帶在該轉(zhuǎn)速下的嚙合頻率。在拔掉VVT調(diào)節(jié)閥后，相位調(diào)節(jié)器的油道關(guān)閉，相位調(diào)節(jié)過程停止。因此，可認(rèn)為異響與相位調(diào)節(jié)器的機(jī)油泄露量有關(guān)。對發(fā)動機(jī)相位調(diào)節(jié)器的機(jī)油泄漏量開展了一系列試驗(yàn)，并將原相位調(diào)節(jié)器更換為機(jī)油泄漏量較低的其他相位調(diào)節(jié)器。重新起動發(fā)動機(jī)，觀察發(fā)動機(jī)是否存在異響，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 相位調(diào)節(jié)器更換試驗(yàn)結(jié)果

在換裝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將原相位調(diào)節(jié)器更換為機(jī)油泄漏量較低的其他相位調(diào)節(jié)器后，能消除大部分發(fā)動機(jī)的異響。因此，可認(rèn)為相位調(diào)節(jié)器較大的機(jī)油泄漏量會引起發(fā)動機(jī)正時系統(tǒng)的異響。為此，需要制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以確保裝機(jī)時所選用的相位調(diào)節(jié)器僅會產(chǎn)生較低的機(jī)油泄漏量。

2.2.3 凸輪軸異響診斷

某款發(fā)動機(jī)在以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，會產(chǎn)生“噠噠”的異響。經(jīng)過診斷，排除了正時皮帶、相位調(diào)節(jié)器、曲軸鏈，以及張緊輪對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的影響。采集了該款發(fā)動機(jī)的振動參數(shù)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的異響頻率為0.5階次。由于已排除了相位調(diào)節(jié)器的故障，因此對凸輪進(jìn)行了分析。凸輪聲壓隨曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生的變化如圖15所示。

圖15 凸輪聲壓隨曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生的變化

在1缸排氣門打開時，發(fā)動機(jī)會出現(xiàn)異常振動信號。該振動信號與正時罩殼處振動信號發(fā)生的時間保持一致。檢查第1缸的排氣門和凸輪，發(fā)現(xiàn)凸輪存在輪廓尺寸超差的現(xiàn)象。更換了凸輪后，正時罩殼的異響消失。

3 結(jié)論

針對正時系統(tǒng)的異響現(xiàn)象，本文建立了相應(yīng)的診斷流程，對正時皮帶引發(fā)的異響抱怨進(jìn)行了分析，優(yōu)化了正時皮帶的背部厚度，并得出了以下結(jié)論：

(1)對相位調(diào)節(jié)器引發(fā)的異響現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)油泄漏會導(dǎo)致正時系統(tǒng)的異響；

(2)對凸輪軸引發(fā)的異響現(xiàn)象進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)凸輪軸存在輪廓尺寸超差的現(xiàn)象；

(3)對外界激勵引發(fā)的異響進(jìn)行了分析，并使用靜音惰輪和減振器來降低噪聲，發(fā)現(xiàn)減振器對外界激勵引發(fā)的噪聲具有明顯的抑制效果。