基于臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門敲擊試驗(yàn)研究

趙進(jìn)兵 楊國芳 周洪利 郝少華 趙松

摘 ?要：眾多汽車NVH問題是由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的，配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的機(jī)械組成部分，其氣門運(yùn)動(dòng)引起的敲擊振動(dòng)、噪聲特征與傳遞路徑相關(guān)，且受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑等因素影響。本文將從試驗(yàn)角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門敲擊特征進(jìn)行研究，建立配氣機(jī)構(gòu)氣門敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)臺(tái)，開展氣門敲擊特征頻率識(shí)別及其能量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑的依存相關(guān)性試驗(yàn)，掌握配氣機(jī)構(gòu)氣門敲擊振動(dòng)、噪聲的研究方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)在早期開發(fā)階段建立配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);配氣機(jī)構(gòu);氣門敲擊;振動(dòng);噪聲

中圖分類號(hào)：TK417 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0047-05

Research On The Bench Test Of Engine Valve Mechanical Tapping

ZHAO Jin-bin， YANG Guo-fang， ZHOU Hong-li， HAO Shao-hua， ZHAO Song

（ Technical Center of Dongfeng Motor Corporation， Wuhan 430058， China ）

Abstract： Most automotive NVH problems are caused by the mechanical movement of the engine. As the valve mechanism is one important mechanical component of the engine， the NV （noise and vibration） which caused by the valves tapping is not only related to the transmission path， but also related to the engine speed， lubrication and other factors. In this paper， the mechanical tapping characteristics of the engine valve mechanism will be studied on the test bench which we build， the frequency characteristics of the mechanical tapping and the dependent correlation which is between tapping energy and engine speed， lubrication will be carried out. We not only have mastered the identification and research method of the mechanical tapping NV of the valve mechanism. and also got the test capability of the valve mechanism optimization which can be used in the engine early development stage.

Key Words： Engine; Valve; Tapping; Vibration; Noise

1 ? ?引言

隨著客戶對(duì)汽車舒適度的要求越來越高，且因NVH問題給用戶的感受是最直接的，NVH已成為消費(fèi)者對(duì)汽車更為直觀的舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)。眾多汽車NVH問題是由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的，配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的機(jī)械組成部分，配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中氣門運(yùn)動(dòng)引起的敲擊振動(dòng)、噪聲特征與傳遞路徑相關(guān)，且與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑等相關(guān)。本文建立了配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)臺(tái)，開展氣門敲擊特征分解的相關(guān)試驗(yàn)，識(shí)別出敲擊特征頻率，分析了敲擊能量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑的依存相關(guān)性;通過試驗(yàn)掌握配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的氣門敲擊振動(dòng)、噪聲的試驗(yàn)方法。為發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)階段早期建立了配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)?zāi)芰Γㄟ^對(duì)配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征的分離，可提早發(fā)現(xiàn)問題、改善問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的NVH性能分析技術(shù)前移，為開發(fā)設(shè)計(jì)階段提供優(yōu)化改善依據(jù)。

2 ? ?研究對(duì)象

本文所述試驗(yàn)技術(shù)研究是基于一款四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)信息見表1：

配氣機(jī)構(gòu)的功能是在發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程中定時(shí)開啟和關(guān)閉氣門，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)按需吸入新鮮空氣和排除廢氣。雙頂置直驅(qū)配氣機(jī)機(jī)構(gòu)由正時(shí)鏈、鏈輪（含VVT）、凸輪軸、機(jī)械挺柱、氣門彈簧、氣門、氣門座圈等組成。頂置凸輪軸固定安裝于氣缸蓋，曲軸通過正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，氣門在凸輪驅(qū)動(dòng)下開啟，氣門在氣門彈簧作用力下關(guān)閉。氣門敲擊[1]主要指氣門開啟時(shí)刻凸輪與挺柱間的敲擊、氣門關(guān)閉時(shí)刻氣門落座與氣門座圈間的敲擊。

3 ? ?配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)

3.1 ? 試驗(yàn)臺(tái)搭建

為消除發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)、噴油器等機(jī)械部件工作以及缸內(nèi)燃燒引起的敲擊振動(dòng)、噪聲的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)拆掉缸體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)油泵、噴油器、火花塞等機(jī)械部件，保留缸蓋及配氣機(jī)構(gòu)，結(jié)合氣門升程測量系統(tǒng)、振動(dòng)噪聲測量系統(tǒng)，搭建配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)臺(tái)，搭建的配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征試驗(yàn)臺(tái)[2]見圖1。

配氣機(jī)構(gòu)由電機(jī)拖動(dòng)按發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，配氣機(jī)構(gòu)的潤滑由外置的專用機(jī)油供給裝置保證，機(jī)油供給裝置可為配氣機(jī)構(gòu)提供不同溫度、壓力的機(jī)油循環(huán)，確保配氣機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

采用兩路多普勒激光位移傳感器分別同時(shí)測量缸蓋的位移與速度和氣門的位移與速度，通過計(jì)算得到實(shí)際的氣門位移、速度，消除了振動(dòng)的影響;使用增量式編碼器獲取凸輪軸轉(zhuǎn)角為多普勒位移傳感器提供零位移參考信號(hào);激光信號(hào)處理設(shè)備將所測的氣門升程/速度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出到數(shù)采設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備同時(shí)獲取來自振動(dòng)傳感器、噪聲傳感器、激光信號(hào)處理設(shè)備的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、噪聲、氣門升程/速度信息的數(shù)據(jù)同步采集，數(shù)據(jù)采集設(shè)備將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)數(shù)據(jù)處理分析軟件保存處理。數(shù)據(jù)采樣率設(shè)置為20kHz[3-4]。

3.2 ? 試驗(yàn)過程

氣門升程測試對(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)第3缸的進(jìn)氣門，反光紙粘貼位置見圖1。為保證較好的敲擊振動(dòng)信號(hào)，各缸氣門冷態(tài)間隙按設(shè)計(jì)值裝配，進(jìn)氣門間隙設(shè)計(jì)值為0.15mm，排氣門間隙設(shè)計(jì)值為0.25mm。

振動(dòng)傳感器靠近敲擊點(diǎn)，結(jié)合配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況及缸蓋結(jié)構(gòu)，振動(dòng)傳感器布置情況見圖2，振動(dòng)傳感器①位于3缸凸輪軸承座附近，用于檢測氣門開啟時(shí)刻凸輪與挺柱的敲擊振動(dòng)，振動(dòng)傳感器②位于3缸氣門座圈附近，用于檢測氣門關(guān)閉時(shí)刻氣門與氣門座圈的敲擊振動(dòng);振動(dòng)傳感器③缸蓋外表面靠近與鏈殼剛性連接的位置，用于檢測氣門開啟/關(guān)閉引起的缸蓋表面振動(dòng)。

噪聲傳感器④布置于進(jìn)氣側(cè)，距發(fā)動(dòng)機(jī)第3缸進(jìn)氣道10cm，見圖2，用于檢測進(jìn)氣門開啟關(guān)閉引起的噪聲。

試驗(yàn)工況：發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為650、750、850、1000、1500、2000、2500r/min，機(jī)油油壓180kPa，機(jī)油溫度穩(wěn)定為30、50、60、70℃。

3.3 ? 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 氣門敲擊時(shí)刻分析

氣門開啟時(shí)凸輪與挺柱接觸瞬間氣門速度會(huì)突然變化，將氣門速度突然增大的點(diǎn)定義為氣門開啟時(shí)刻;氣門關(guān)閉時(shí)氣門閥座給氣門反向作用力，致使氣門速度發(fā)生反向變化，將氣門速度發(fā)生反向變化的時(shí)刻定義為氣門關(guān)閉時(shí)刻。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)第3缸氣門速度確定出第3缸氣門開啟關(guān)閉時(shí)刻后，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作順序1-3-4-2確定出其他3個(gè)缸的氣門開啟關(guān)閉時(shí)刻，詳見圖3氣門開啟/關(guān)閉時(shí)刻分析圖。

氣門開啟時(shí)刻，由于凸輪與挺柱突然相互作用，凸輪受力引起凸輪軸承座會(huì)有沖擊響應(yīng)，此時(shí)凸輪軸承座振動(dòng)幅值相應(yīng)的突然增大;氣門關(guān)閉時(shí)刻，由于氣門與氣門座圈相互作用，氣門座圈受力會(huì)產(chǎn)生沖擊響應(yīng)，此時(shí)氣門座圈振動(dòng)幅值相應(yīng)的突然增大;如圖3所示，準(zhǔn)確識(shí)別出各缸氣門開啟/關(guān)閉引起的氣門敲擊振動(dòng)。

3.3.2 氣門敲擊振動(dòng)頻率分析

首先對(duì)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)作FFT分析，找出高能量的頻率段;然后對(duì)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)作小波分析[5]，在小波分析圖中找出在FFT分析提取的高能量頻率段內(nèi)高能量亮條對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，并找出與氣門開啟、關(guān)閉的哪個(gè)時(shí)刻相吻合;若與開啟時(shí)刻吻合則作為氣門開啟敲擊振動(dòng)特征頻率，若與氣門關(guān)閉時(shí)刻吻合則作為氣門關(guān)閉敲擊振動(dòng)特征頻率。

以曲軸轉(zhuǎn)速為750r/min工況數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行氣門敲擊振動(dòng)特征頻率分析工作，對(duì)時(shí)域信號(hào)作FFT分析、小波分析的結(jié)果見圖4，得出進(jìn)氣門開啟特征頻率1800-4000Hz，進(jìn)氣門關(guān)閉特征頻率為800-1400Hz、2700-3400Hz。

3.3.3 氣門敲擊振動(dòng)能量分析

對(duì)時(shí)域信號(hào)作RMS（均方根值）計(jì)算[4]處理，取進(jìn)氣門開啟、關(guān)閉時(shí)刻附近范圍內(nèi)的RMS最大值作為氣門敲擊振動(dòng)能量評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算求得結(jié)果見圖5所示：進(jìn)氣開啟、關(guān)閉引起的敲擊振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速升高而增大，且氣門開啟振動(dòng)受轉(zhuǎn)速影響更明顯;進(jìn)氣關(guān)閉引起的敲擊振動(dòng)受溫度影響不大，進(jìn)氣開啟引起的敲擊振動(dòng)隨油溫升高而減小。

3.3.4 氣門敲擊振動(dòng)響應(yīng)分析

氣門開啟/關(guān)閉時(shí)刻在缸蓋表面能夠準(zhǔn)確的檢測到敲擊振動(dòng)信號(hào)，見圖6。

缸蓋表面氣門敲擊振動(dòng)能量與敲擊點(diǎn)附近的振動(dòng)能量隨轉(zhuǎn)速變化的表現(xiàn)趨勢一致，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而變大，見圖7（a）、（b）。

3.3.5 氣門敲擊振動(dòng)噪聲分析

對(duì)氣門敲擊的振動(dòng)、缸蓋表面振動(dòng)、缸蓋近場噪聲作頻譜分析，計(jì)算頻譜見圖8：頻率越高振動(dòng)傳播過程中能量衰減越快，較低頻率的振動(dòng)傳遞的更遠(yuǎn)，缸蓋表面振動(dòng)在800-1400Hz頻段范圍內(nèi)有峰值，與進(jìn)氣門敲擊振動(dòng)特征頻率有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。缸蓋近場噪聲在800-1400Hz頻率范圍內(nèi)有峰值，與進(jìn)氣門敲擊振動(dòng)特征頻率有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，氣門敲擊引起的振動(dòng)與缸蓋表面振動(dòng)、缸蓋近場噪聲表現(xiàn)出相關(guān)性。以上說明氣門敲擊是引起缸蓋表面振動(dòng)、近場噪聲的重要因素。

4 ? ?發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)NVH試驗(yàn)臺(tái)開展驗(yàn)證試驗(yàn)，由電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行，噴油器、火花塞斷電，排除噴油器工作、缸內(nèi)燃燒的影響。

采集發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面振動(dòng)、缸蓋進(jìn)氣側(cè)近場噪聲，振動(dòng)測點(diǎn)同圖2所示的振動(dòng)傳感器③位置，麥克風(fēng)布置于進(jìn)氣側(cè)，與缸蓋第3缸進(jìn)氣道平齊，距外輪廓表面10cm。

缸蓋表面振動(dòng)、進(jìn)氣側(cè)近場噪聲頻譜見圖9，缸蓋表面振動(dòng)、進(jìn)氣側(cè)近場噪聲在700-1100Hz頻率段有明顯峰值，大部分落在配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)氣門敲擊特征頻率范圍800-1400Hz內(nèi)，可以判斷該振動(dòng)、噪聲峰值與配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。

配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)氣門敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)提取的特征頻率：在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用階段，用于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行的異響診斷，可快速判斷異響原因是否與配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)，提升產(chǎn)品開發(fā)效率;在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)階段，提取的頻率可用于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，避開相關(guān)頻率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)異響的風(fēng)險(xiǎn)，改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)。

5 ? ?結(jié)論

1. 為探尋配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的氣門敲擊振動(dòng)、噪聲激勵(lì)機(jī)理，搭建配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)臺(tái)，精準(zhǔn)的識(shí)別出氣門開啟關(guān)閉引起的振動(dòng)。

2. 開展配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)氣門敲擊振動(dòng)、噪聲特性試驗(yàn)：氣門敲擊振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸增大;隨著機(jī)油溫度升高逐漸減小;敲擊引起的振動(dòng)與噪聲有強(qiáng)相關(guān)性。

3. 配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)氣門敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)提取的敲擊特征頻率，在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用階段，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)異響診斷，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)運(yùn)行時(shí)測量氣缸蓋外表面的振動(dòng)信號(hào)及發(fā)動(dòng)機(jī)的近場噪聲，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)及噪聲信號(hào)進(jìn)行小波分析和頻譜分析，快速判斷異響是否由配氣機(jī)構(gòu)引起的，提升產(chǎn)品開發(fā)效率;在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)階段，提取的頻率可用于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，避開相關(guān)頻率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)異響的風(fēng)險(xiǎn)，改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)。

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趙進(jìn)兵

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，任動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲試驗(yàn)及開發(fā)主管工程師。

專家推薦語

李鴻飛

國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（襄陽）

汽車結(jié)構(gòu)疲勞專業(yè)副總師 ?研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文設(shè)計(jì)了配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征識(shí)別試驗(yàn)臺(tái)，通過試驗(yàn)識(shí)別出敲擊特征頻率，分析了敲擊能量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、潤滑的相關(guān)性;通過對(duì)配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征的分離，為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敲擊特征識(shí)別，排除異響提供理論基礎(chǔ)。對(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)階段改善配氣機(jī)構(gòu)異響有較好指導(dǎo)意義。