某發(fā)動機升速噪音分析

陳小波，薛 順

（1.柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005；2.拾音汽車科技（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

近年來，隨著人們環(huán)境、健康意識的不斷提高，車輛的舒適度及聲品質(zhì)越來越受到人們的關(guān)注。在競爭激烈的汽車市場上，提高車輛的噪聲水平已成為新的競爭焦點和技術(shù)發(fā)展方向。在此背景下，車輛的NVH性能正式成為汽車研發(fā)過程中最為重要的性能指標[1]。

某增壓直噴發(fā)動機在前期匹配某車型進行整車噪音主觀評估時，偶然發(fā)現(xiàn)在原地P 檔從怠速升速到最高轉(zhuǎn)速時，會在某一固定轉(zhuǎn)速出現(xiàn)尖銳的異常噪音，而且隨著反復從怠速升速到最高轉(zhuǎn)速的次數(shù)越多，這個噪音會更加尖銳和刺耳。通過對車輛進行NVH 噪音測試結(jié)合發(fā)動機結(jié)構(gòu)原理進行噪音的原因排查與分析，并通過制造特殊樣件進行激勵源的判定，最終鎖定產(chǎn)生激勵振動的問題件，并通過優(yōu)化問題件的結(jié)構(gòu)設計，使發(fā)動機的噪音與振動得到明顯改善。該問題的發(fā)現(xiàn)與成功解決，為后續(xù)發(fā)動機與整車的匹配開發(fā)提供了經(jīng)驗，增加了與發(fā)動機熱機強相關(guān)的噪音驗證工況，同時也給發(fā)動機系統(tǒng)零部件的開發(fā)提供了豐富的經(jīng)驗。

1 問題定義

發(fā)動機在熱機加速及降速過程中，在特定轉(zhuǎn)速段出現(xiàn)明顯異響，冷機無該異響抱怨。為了快速鎖定噪聲來源，分析潛在噪聲機理，首先對發(fā)動機常見噪聲源及傳播路徑進行了NVH 測試與分析。重點測試駕駛室駕駛員左耳、右耳以及整車進氣口、發(fā)動機增壓器、機濾以及前端輪系近場噪音以及發(fā)動機缸體、懸置、機濾及機濾座的振動。如圖1 為車內(nèi)噪音頻譜發(fā)動機加速過程中6.1 階及其諧波階次顯著，特別當轉(zhuǎn)速上升到某轉(zhuǎn)速附近，階次特征變得更加凸顯。圖2為發(fā)動機近場噪音，從上到下依次為機濾、整車進氣口、前端輪系及增壓器近場噪音。從圖2 分析可知機濾近場噪聲特征與車內(nèi)噪聲抱怨階次特征吻合，而整車進氣口、前端輪系以及增壓器等位置處不明顯。

圖1 車內(nèi)噪音

圖2 發(fā)動機近場噪音

2 問題排查

如圖3 在機濾表面安裝振動加速度傳感器以及在機濾近場安裝麥克風。分別在冷機和熱機時采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1000 r/min 升速到5000 r/min 時的機濾表面的振動和近場噪聲。發(fā)動機在熱機加速及降速過程中，主觀感受在特定轉(zhuǎn)速段出現(xiàn)明顯異響，而冷機無該異響。如圖4 分別是冷機和熱機時機濾近場噪聲頻譜圖，從圖中可清晰得出：熱機狀態(tài)下當某轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異響時，機濾表面振動及近場噪聲均能捕捉到該信號；而冷機狀態(tài)時，沒有類似異響，同時機濾近場噪聲和表面振動也無相關(guān)信號。

圖3 機濾近場麥克風及機濾表面振動傳感器

圖4 機濾近場冷機與熱機噪聲

如圖5 熱機狀態(tài)時機濾近場噪聲及其自身振動頻譜，可知機濾近場噪聲與其自身振動完全吻合，均存在6.1 階及其諧波階次能量在某轉(zhuǎn)速顯著增大的特征。通過檢查發(fā)動機零部件發(fā)現(xiàn)機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子數(shù)為5，機油泵與曲軸的速比為1.22，對應曲軸的階次剛好為6.1 階，與噪聲階次吻合。同時機油泵噪聲經(jīng)常具備明顯的階次特征，基于以上特征分析初步判斷抱怨噪聲來自于機油泵。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升到某特定轉(zhuǎn)速時，噪聲及振動階次能量顯著增大可能和機油泵工作狀態(tài)發(fā)生變化相關(guān)。

圖5 機濾近場噪聲及振動

噪聲的傳遞路徑主要分為空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩類[3]。要確定分析是由何種路徑傳聲到駕駛室內(nèi)，才能針對噪聲作出相應的改善措施。通過測試機濾以及懸置支架振動，機濾近場噪聲及車內(nèi)噪聲頻譜（圖6）以及左懸置和機濾表面振動（圖7）分析可知，發(fā)動機及變速箱懸置主動側(cè)均識別到機油泵噪聲相同的階次特征，說明其液壓激勵高到影響整個動力總成。關(guān)于車內(nèi)抱怨的噪聲問題，部分能量激勵來源于結(jié)構(gòu)傳聲，動力總成懸置會將噪聲傳遞至車內(nèi)。

圖6 機濾近場噪聲和車內(nèi)噪音

圖7 左懸置和機濾表面振動

經(jīng)過上述問題初步排查，已可以明確該異常噪音的產(chǎn)生來自機油泵，結(jié)合噪聲在冷機時無而熱機時產(chǎn)生，說明機油泵工作導致異常噪音的產(chǎn)生與溫度相關(guān)聯(lián)。而機油泵結(jié)構(gòu)或者工作原理本身不會隨著溫度變化而產(chǎn)生變化[2]，因此懷疑是機油壓力在溫度的影響下，會產(chǎn)生不同的脈動表現(xiàn)而引起噪音。為了更加直觀的檢查機油壓力脈動與溫度、噪音的表現(xiàn)關(guān)系，在發(fā)動機主油道上安裝機油壓力脈動傳感器。如圖8，在機濾座油道上安裝高動態(tài)壓力脈動傳感器測試機濾出口油道壓力脈動，同時在機濾上安裝振動傳感器，采集振動噪聲。

圖8 機濾振動傳感器及高動態(tài)壓力脈動傳感器

如圖9 和10 可知，機油壓力波動頻譜與機濾振動頻譜趨勢一致，主要貢獻為6.1 的倍數(shù)階，與上述所講機油泵階次吻合。同時機濾近場噪聲與主油道壓力在相同轉(zhuǎn)速同步出現(xiàn)階次能量惡化，可以說明噪聲由機油泵液壓激勵產(chǎn)生。同時，如圖11 熱機與冷機時機油波動對比：冷機狀態(tài)下機油壓力脈動增大基本正常，噪聲抱怨轉(zhuǎn)速點未發(fā)現(xiàn)明顯的壓力驟變及階次能量增大；熱機狀態(tài)時，機油壓力在噪聲抱怨轉(zhuǎn)速點明顯發(fā)生驟變。

圖9 機油壓力波動頻譜-熱機

圖10 機油表面振動頻譜-熱機

圖11 熱機及冷機時機油波動對比

如圖12 可以更加清晰地觀察到機油脈動、機濾表面振動以及與發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響關(guān)系。當發(fā)動機處于熱機狀態(tài)時，如圖所示發(fā)動機水溫在95 ℃時，機油壓力脈動在某轉(zhuǎn)速產(chǎn)生突變，同步在車內(nèi)能清晰聽到抱怨噪聲。同時在機油壓力脈動突變時機濾表面的振動也產(chǎn)生突變兩者發(fā)生時刻完全吻合并呈臺階式上升。進一步證實，機濾表面突變振動由機油壓力脈動突變激勵產(chǎn)生。

圖12 機油脈動與機濾表面振動關(guān)系

3 原因確定

通過上述問題排查，結(jié)合機油泵的結(jié)構(gòu)，初步判定為泄壓閥在熱機狀態(tài)下工作狀態(tài)下異常導致機油脈動在某轉(zhuǎn)速產(chǎn)生突變，從而產(chǎn)生噪音。為了進一步證實噪音出現(xiàn)時刻的壓力脈動與泄壓閥相關(guān)，制作特殊樣件把泄壓閥閥芯固定，泄壓閥的閥心固定后，泄壓閥不會隨著壓力升高出現(xiàn)泄壓。

在整車上更換機油泵并進行NVH 測試，發(fā)現(xiàn)泄壓閥完全固定后，發(fā)動機熱機狀態(tài)原地P 檔加速全過程中壓力脈動無明顯突變，主觀感受也未聽到噪音。

如圖13，機油泵泄壓閥芯完全固定后，機油脈動及機濾表面振動關(guān)系，機油脈動無明顯突變，機濾表面振動臺階式上升問題已消除，噪音消失。由此可確定根本原因為泄壓閥異常工作狀態(tài)導致了抱怨噪音的產(chǎn)生。

圖13 機油脈動與機濾表面振動關(guān)系（泄壓閥芯固定）

從測試結(jié)果分析：油路是存在腔體模態(tài)，當激勵達到該頻率時，油路發(fā)生共振，產(chǎn)生較大油壓波動，引起彈簧的異常運動，形成異響，反復升降速工況，前一次的油壓脈動尚未衰減完，后一次激勵施加導致壓力脈動逐漸增加，異響轉(zhuǎn)速點逐漸降低；而冷機狀態(tài)下潤滑油黏度更高，阻尼更大，油液振幅小，所以無異響。

4 方案驗證

雖然把泄壓閥芯固定或者取消泄壓閥結(jié)構(gòu)可以解決噪音問題，但考慮到發(fā)動機在正常工作時各個系統(tǒng)對油壓的要求，實際上機油泵泄壓閥根本無法取消。如圖14 為發(fā)動機潤滑系統(tǒng)原理圖，從整個潤滑系統(tǒng)的各個油路上分析可能改善噪音的方案。將整個油路分成5 部分，分別為：機油泵傳動、機油泵泄壓閥機構(gòu)、主油道、用油部件。對于機油泵傳動系需要降低傳動比，可以降低相同發(fā)動機轉(zhuǎn)速時機油壓力，從而降低壓力波動；對于機油泵泄壓閥機構(gòu)，優(yōu)化泄壓截面結(jié)構(gòu)以減小油壓及流量的突變，同時優(yōu)化泄壓閥彈簧的剛度以及增加泄壓閥芯的重量來增加泄壓機構(gòu)的阻尼，從而降低油壓波動。

圖14 發(fā)動機潤滑系統(tǒng)原理圖

對于主油道而言，則需要通過CFD 分析，減小主油道的壓力損失，為優(yōu)化泄壓閥機構(gòu)提供更大的空間；對于用油部件，則需要優(yōu)化各運動間隙，以減小機油泄露，從而可以降低機油壓力的需求，降低泵的壓力。由于主油道及用油部件的運動間隙優(yōu)化有限，故將機油泵泄壓機構(gòu)作為重點優(yōu)化對象，同時在保持需求油壓的情況下適當降低傳動比。

經(jīng)過多種方案嘗試與驗證，確定了如下的驗證方案：

（1）將機油泵泄壓截面由單泄壓T 型泄壓槽優(yōu)化為對稱式泄壓槽；

（2）增加泄壓閥芯的重量以提高機油泵在泄壓時閥芯的穩(wěn)定性；

（3）提升機油泵的泄壓彈簧的剛度；

（4）同時降低傳動速比。

采用優(yōu)化方案后，進行的NVH 測試，主觀感受無突變噪音產(chǎn)生，機濾近場噪聲頻譜，如圖15 所示，在噪音產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速及其附近無明顯振動的痕跡，同時升速過程中機油壓力上升較為平滑，機濾振動、機濾近場噪聲的頻率特性中，無明顯機油泵諧階次。

圖15 機濾噪聲&機濾振動及油壓測試結(jié)果

5 結(jié)語

通過對可能產(chǎn)生發(fā)動機在原地P 檔在熱機狀態(tài)時在某固定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生突變噪音的系統(tǒng)分析以及NVH測試驗證及指導，最終確定噪音產(chǎn)生的來源，并通過對機油泵泄壓機構(gòu)的優(yōu)化，有效解決了噪音問題。