我國發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性研究現(xiàn)狀

奚佳欣，方娟，王愛彬

1.吉林建筑大學，吉林長春 130000；

2.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，吉林長春 130000

0 引言

發(fā)動機是車輛的動力機構，是車輛的心臟[1]，配氣機構是發(fā)動機的心臟，而正時機構則是配氣機構的核心[2]。性能良好的正時系統(tǒng)能夠保證各個氣缸良好的工作循環(huán)和點火次序要求，使發(fā)動機達到最佳工作狀態(tài)[3]。由于鏈傳動具有傳動比準確、工作可靠性高、傳遞功率大、效率高、過載能力強[4]，且能夠與發(fā)動機同壽命等優(yōu)勢，因而被廣泛應用于正時系統(tǒng)[5]。隨著用戶對乘用車舒適度要求的不斷提升，改善車輛振動噪聲問題已成為各大車企與高校的研究熱點。正時鏈系統(tǒng)作為發(fā)動機配氣機構的核心機構[6]，其振動噪聲特性研究有著重要意義。

1 發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)振動噪聲產生機理

正時鏈系統(tǒng)通常是由正時鏈條、凸輪軸鏈輪、曲軸鏈輪、導軌、張緊導軌及液壓張緊器組成[7]。根據發(fā)動機設計需求，正時鏈系統(tǒng)設計成不同布局形式，如：雙頂置布局（如圖1 所示）、單頂置布局等（如圖2 所示）。同時，鏈條也可以采用多種形式[8]，例如：滾子鏈（如圖3 所示）、齒形鏈（如圖4 所示）等。由于正時鏈的工作機理是利用高強度金屬鏈條連接曲軸鏈輪和凸輪軸鏈輪[9]，使凸輪軸與曲軸保持固定傳動比運轉[10]，在運轉過程中，正時鏈系統(tǒng)往往伴隨著振動噪聲問題。正時鏈系統(tǒng)的振動激勵源主要由內部激勵源和外部激勵源構成[11-12]。內部激勵源是指鏈條與鏈輪運轉過程中的嚙合沖擊和多邊形效應引起的動態(tài)激勵[13-14]；外部激勵源是指曲軸速度波動[15]、凸輪軸扭矩波動[16]、張緊器[17]對導軌的激勵等外部因素對正時鏈系統(tǒng)產生的激勵。

2 研究現(xiàn)狀

早在20 世紀50 年代末、60 年代初，吉林工業(yè)大學的教師和科研人員就已經開始對鏈傳動技術進行研究。1983 年獲機械工業(yè)部批準成立了吉林工業(yè)大學鏈傳動研究所（現(xiàn)吉林大學鏈傳動研究所），該所為我國鏈條產品質量監(jiān)督和檢驗、鏈條產品國家標準和行業(yè)標準修訂、鏈傳動行業(yè)學術活動的專門機構，該所教師編著的《鏈傳動》一書系統(tǒng)地闡述了鏈傳動理論和技術，為我國鏈條傳動的深入研究奠定基礎。吉林大學鏈傳動研究所孟繁忠教授團隊[18]長期致力于正時鏈系統(tǒng)特性研究，深入分析了正時鏈系統(tǒng)磨損機制理論，提出了發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)設計方法，并進行了大量磨損試驗與噪聲測試試驗。針對傳統(tǒng)滾子鏈、套筒滾子鏈傳動缺陷，運用齒形鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)鏈條，并出版《齒形鏈嚙合原理》一書，為齒形鏈在我國技術提升奠定良好基礎。

吉林大學鏈傳動研究所的榮長發(fā)等人[19]對滾子鏈傳動中的嚙合沖擊力做了理論分析，打破了僅在傳動比為1 和中心距為節(jié)距整數倍的研究局限，實現(xiàn)了任意齒數比和中心距情況下滾子鏈嚙合沖擊力的計算。但計算模型還存在一些限制，如：主動鏈輪以恒定角速度轉動、緊邊鏈條必須繃直等。分析結果表明，滾子鏈傳動的嚙合沖擊力是作用在滾子和鏈輪之間的脈沖載荷且隨中心距的變化呈周期性變化（如圖5、圖6所示）。

臺灣成功大學的羅一揚[20]針對鏈傳動過程中的嚙合沖擊對傳動系統(tǒng)噪聲的影響，分析了鏈輪在嚙合沖擊作用下的聲場狀況。分析結果表明，鏈條的嚙入沖擊對鏈輪噪聲的影響遠大于嚙出沖擊，同時提出聲場面積和聲壓值成正比關系。

吉林大學鏈傳動研究所的孫威博士[21]對齒形鏈傳動系統(tǒng)聲強測試與聲源識別作了詳細研究，以兩圓柱沖擊理論和聲學理論為基礎，分析齒形鏈傳動的動態(tài)行為，計算齒形鏈傳動過程中嚙合沖擊所產生噪聲的聲壓與聲功率，從而實現(xiàn)對齒形鏈傳動嚙合沖擊噪聲值的預測。

基于前期學者對鏈傳動機理及振動噪聲值預測的研究，隨著計算機技術的飛躍發(fā)展與有限元分析技術的日益成熟，目前，正時鏈振動噪聲特性研究主要集中在兩個方面：正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性仿真研究；正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性的試驗研究。

2.1 正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性仿真研究

長安汽車工程研究總院、汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室的彭國民等人[22]對汽油機鏈傳動嘯叫噪聲進行了研究，闡述了汽油機鏈傳動系統(tǒng)噪聲的類型：嘯叫噪聲、沖擊噪聲與共振噪聲。研究指出，多邊形效應是鏈傳動過程中嘯叫噪聲產生的原因，建立了正時鏈傳動的數學模型，基于該理論模型，運用動力學軟件AVL 分析了正時鏈及機油泵鏈傳動布局對嘯叫噪聲的影響，其布局會影響階次激勵，但只修改鏈輪布局不能解決嘯叫問題，建議使用齒形鏈。

中國嘉陵工業(yè)股份有限公司技術中心的賴曉麗等人[23]基于AVL EXCITE Timing Drive 軟件對正時鏈系統(tǒng)進行動力學分析，發(fā)現(xiàn)正時鏈導向板對鏈條緊邊導向不良使鏈條產生橫向振動，從而造成噪聲過大現(xiàn)象，樣機噪聲測試結果驗證了該動力學分析的正確性。

武漢理工大學蘇陽[24]以大型柴油機正時鏈傳動系統(tǒng)為研究對象，利用ADAMS 多體動力學分析軟件，分析了鏈節(jié)與鏈輪嚙合接觸力大小和系統(tǒng)橫向振動、縱向振動特性，說明各項參數對系統(tǒng)特性影響，并提出優(yōu)化方案。

科研人員普遍運用動力學數據研究指標間接體現(xiàn)正時鏈系統(tǒng)振動特性。隨著研究的不斷深入與研究手段的創(chuàng)新，動力學分析逐步考慮更加復雜的邊界條件，使動力學分析數據更加貼合試驗數據，例如浙江大學李一民博士[25]以發(fā)動機曲軸速度波動作為正時鏈系統(tǒng)動力學分析的邊界條件，分析了正時鏈系統(tǒng)的動力學特性，指出曲軸及正時系統(tǒng)特性對發(fā)動機振動噪聲特性的影響，曲軸的扭振直接影響發(fā)動機機體的振動，而正時系統(tǒng)的振動噪聲則是通過發(fā)動機前端噪聲表現(xiàn)出來，降低鏈傳動過程的多邊形效應有利于降低發(fā)動機前端噪聲。吉林大學奚佳欣[26]在詳細分析柴油發(fā)動機正時套筒滾子鏈系統(tǒng)振動機理基礎上，建立了正時鏈系統(tǒng)噪聲預測流程，這是首次提出聯(lián)合使用動力學分析、有限元振動特性分析、聲學預測手段預測正時鏈系統(tǒng)噪聲值，該方法將噪聲預測直接量化，并與試驗數據良好貼合。吉林大學陳璐翔[27]將該方法流程運用到了結構形式更為復雜的正時齒形鏈系統(tǒng)中，在按設計要求完成正時齒形鏈結構設計前提下，對正時齒形鏈系統(tǒng)進行了運動學特性分析，對設計合理性進行了驗證，接著分析了凸輪軸鏈輪、曲軸鏈輪和系統(tǒng)整體模態(tài)特性及整體系統(tǒng)的頻率響應特性，在此基礎上，建立正時齒形鏈噪聲預測計算模型，對該系統(tǒng)的噪聲值進行了預測分析。楊澤宇[28]對混合動力乘用車發(fā)動機正時齒形鏈系統(tǒng)振動噪聲特性進行了分析，利用多體動力學軟件RecurDyn 對系統(tǒng)進行動力學分析和剛柔耦合分析，利用ANSYS Workbench 對系統(tǒng)進行振動響應分析，在振動響應分析基礎上，利用聲學仿真軟件LMS Virtual. Lab Acoustics 預測了系統(tǒng)的噪聲指標。

綜上，當前運動學分析主流軟件為AVL 及RecurDyn，振動特性分析軟件為ANSYS Workbench，聲學預測軟件為LMS Virtual. Lab Acoustics，利用當前技術手段能夠實現(xiàn)正時鏈系統(tǒng)的運動特性分析、振動特性分析及噪聲值預測，對正時鏈系統(tǒng)的設計開發(fā)、產品結構優(yōu)化、噪聲源識別有著重要意義。但是，上述分析手段中，振動特性分析涉及到有限元模型創(chuàng)建，噪聲值預測涉及到聲學有限元模型創(chuàng)建，為了保證計算精度，對分析模型質量有很高要求，這種情況很考驗分析者的網格劃分技術，同時，由于計算量大，對計算機性能也有很高要求。基于上述方法的弊端，XI J X[29]提出將時頻分析—短時傅里葉法運用到正時鏈系統(tǒng)設計開發(fā)中，該方法側重于分析正時鏈系統(tǒng)在運轉過程中的頻域特性，對系統(tǒng)噪聲源識別很有優(yōu)勢。鑒于短時傅里葉算法自身的局限性，分辨率更高的時頻分析法有待研究驗證。

2.2 正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性的試驗研究

2009 年，長春理工大學王淑坤聯(lián)合吉林大學鏈傳動研究所的孟繁忠教授自主研發(fā)高速鏈試驗臺[30]，配合使用便攜式AWA6290A 型2 通道噪聲分析儀，對多種汽車發(fā)動機滾子鏈進行了多工況噪聲測試與分析，通過分析高速滾子鏈傳動噪聲頻譜特點，發(fā)現(xiàn)鏈傳動噪聲呈周期性變化，且隨著鏈輪轉速增加，低頻噪聲顯著增加，對控制汽車鏈噪聲有實際工程指導意義。

2010 年，吉林大學董成國[31]在自主研發(fā)的多軸傳動汽車正時鏈系統(tǒng)試驗臺上，利用AWA6290A 實時噪聲分析儀，測試了多工況下正時齒形鏈噪聲數據，闡述了正時齒形鏈噪聲產生機理，提出了噪聲控制策略，利用Photo Temp MX 數碼照相式紅外測溫儀測量低速時正時齒形鏈系統(tǒng)的實時溫度數據，通過數據研究分析，表明潤滑對齒形鏈系統(tǒng)工作可靠性有著重要作用。

2015 年，吉林大學馮增銘團隊的趙中遠[32]考慮發(fā)動機缸頭對正時鏈系統(tǒng)影響，將發(fā)動機缸頭添加到試驗臺中，自主研發(fā)了啟程正時鏈振動噪聲試驗臺，在相同工況下對自主研發(fā)齒形鏈和日本原裝鏈進行了多轉速噪聲測試，結果表明，自主開發(fā)正時鏈系統(tǒng)的噪聲水平與日本原裝鏈噪聲水平相當，同時驗證了自主開發(fā)液壓張緊器的優(yōu)良性能。

2016 年，吉林大學許樹新與杭州東華鏈條集團有限公司葉斌等人[33]考慮潤滑油溫度、潤滑油壓力、曲軸轉速等因素，利用發(fā)動機缸蓋反拖系統(tǒng)試驗臺進行了多交叉工況正時鏈系統(tǒng)噪聲測試。該試驗專注于正時鏈條及凸輪軸的機械噪聲，與其他形式的鏈傳動噪聲實驗相比，更加接近于正時系統(tǒng)整體噪聲水平。

隨著制造技術與測試技術的不斷發(fā)展，正時鏈條噪聲測試試驗臺結構不斷改進（如圖7 所示），考慮到潤滑油、張緊器及缸蓋配氣機構等復雜邊界對正時鏈系統(tǒng)噪聲指標的影響，試驗臺設計更加嚴密、更加復雜且貼近實際工況，從而提高試驗數據的準確性。

國內車企針對正時鏈系統(tǒng)噪聲特性也進行了大量試驗研究。

上海李斯特技術中心有限公司的王琱等人[34]在全封閉、精密級發(fā)動機半消音試驗室內，利用1 m 噪聲聲壓測試系統(tǒng)（包括：B&K 型號4191 麥克風、型號2669 前置放大器、型號4231 聲學校準器和多通道NVH 分析系統(tǒng)）、結構振動分析設備和聲學攝像機對某1.8 L TGDI 直列4 缸汽油發(fā)動機進行了1 m 噪聲聲壓級和表面結構振動情況進行了測量，可知發(fā)動機前端噪聲主要源自發(fā)動機正時鏈盒振動響應和輻射噪聲。通過增加正時鏈盒與缸體間的固定點和外表面貼覆復合式靜音鋼板，可減少正時鏈盒振動盒輻射噪聲，此研究方法對發(fā)動機正時鏈盒類似薄壁覆蓋件設計有指導意義。

上汽通用五菱汽車股份有限公司覃海峰等人[35]建立了發(fā)動機整機噪聲源識別試驗流程，利用LMS Test.Lab 平臺，針對某汽油發(fā)動機嘯叫問題進行振動噪聲測試，通過1 m 聲壓級測試、近場聲全息法和振動試驗法準確判斷出發(fā)動機噪聲源為發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)，并通過階次分析確定優(yōu)化設計方案。

上海汽車集團股份有限公司技術中心的劉義波等人[36]針對某開發(fā)汽車瞬態(tài)急加速工況出現(xiàn)的寬頻敲擊噪聲問題進行了整車振動噪聲測試排查。測試發(fā)動機本體零部件及打洞機相連接的傳動半軸支架等零件的振動特征，通過對比振動幅值發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機前端的正時罩蓋中間位置振幅最大，且位置與張緊器安裝位置吻合，基本確定該噪聲源于正時鏈系統(tǒng)。通過優(yōu)化張緊器進油口尺寸，能夠徹底解決正時鏈系統(tǒng)的敲擊噪聲問題。

長城汽車股份有限公司的張興法等人[37]在某增壓直噴4 缸汽油發(fā)動機整機試驗過程中發(fā)現(xiàn)1 檔爬坡過程中存在異響，且在機油溫度升高后異響更為明顯。經過排查診斷，初步確認正時鏈系統(tǒng)液壓張緊器為噪聲源，該噪聲與液壓張緊器性能和正時鏈系統(tǒng)驅動零件有關。通過對正時系統(tǒng)測試進一步分析，表明液壓張緊器與整機不匹配是導致異響的主要原因。

各大車企在發(fā)動機振動噪聲試驗上進行了大量的投入，根據現(xiàn)有文獻數據可以發(fā)現(xiàn)，企業(yè)試驗條件明顯好于高校，普遍擁有消音室或者半消音室及先進的聲學數據采集器和聲學照相機。企業(yè)往往以噪聲開發(fā)問題或產品優(yōu)化為導向，通過對整機進行振動噪聲測試，逐步確定噪聲源位置，依據噪聲源識別結果提出相應的優(yōu)化改良方案。

3 結束語

本文在闡述發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)振動噪聲產生機理的基礎上，闡述了我國正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性研究現(xiàn)狀。我國雖然在20 世紀50 年代末就開始了對鏈條的研究，但整體研究速度并不迅速，且由于國外對相關技術的封鎖，我國對鏈傳動的研究進展緩慢，主要研究陣地為鏈傳動研究所，該所科研人員對鏈傳動特性的基礎理論研究有突出貢獻。20 世紀90 年代，仿真與測試技術的飛速發(fā)展為正時鏈系統(tǒng)振動特性研究注入了新的血液，運動學分析、有限元模態(tài)分析和聲學有限元分析成功應用于正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性及噪聲值預測中。無論是高校還是企業(yè)都對正時鏈振動噪聲測試方法進行積極探索，并形成了一系列有效的測量方案，為正時鏈系統(tǒng)振動噪聲特性進一步研究奠定了基礎。