正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲降低方法的研究

羅秋萍 劉勝強(qiáng) 劉 川 楊建林 朱鋼毅 孫 蕭

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

正時(shí)系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)連接曲軸與凸輪軸，以及平衡軸或機(jī)油泵、水泵等負(fù)載的裝置，通過輪齒嚙合傳遞動力，在發(fā)動機(jī)內(nèi)部起到橋梁的作用。同時(shí)，正時(shí)系統(tǒng)能保證發(fā)動機(jī)精確的配氣相位，維持發(fā)動機(jī)正常工作[1]。

正時(shí)系統(tǒng)主要靠橡膠皮帶或鏈條傳遞動力。隨著發(fā)動機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的不斷提高，需要更加可靠的正時(shí)系統(tǒng)。由于鏈條可靠性較高，逐漸替代了皮帶。

本文主要的研究內(nèi)容是正時(shí)鏈條張緊器在無質(zhì)量問題的前提下產(chǎn)生低速敲擊噪聲的機(jī)理及噪聲降低方法。

1 正時(shí)鏈條張緊器的結(jié)構(gòu)與工作原理

正時(shí)鏈條張緊器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

正時(shí)鏈條張緊器主要由殼體、主彈簧、柱塞、安裝卡環(huán)（或插銷）、防跳齒卡簧（或棘齒）、控油盤、單向閥等組成。其中，作為重要組成部分的單向閥是一個(gè)組件，由底座、墊片、鋼球、彈簧與閥帽組成。因?yàn)閱蜗蜷y的單向流通特性，殼體內(nèi)腔體被分為提供阻尼的高壓腔與補(bǔ)油的低壓腔。

正時(shí)鏈條張緊器柱塞在主彈簧力作用下伸出與動軌接觸，彈簧力將正時(shí)鏈條繃緊。發(fā)動機(jī)起動后，低壓腔的機(jī)油克服單向閥開啟壓力，快速通過閥帽，補(bǔ)充進(jìn)高壓腔。此時(shí)，正時(shí)鏈條張緊器產(chǎn)生的張緊力主要由柱塞彈簧力和機(jī)油壓力提供。當(dāng)松邊鏈條出現(xiàn)波動時(shí)，動軌繞著固定點(diǎn)小幅旋轉(zhuǎn)，壓縮正時(shí)鏈條張緊器柱塞，高壓腔體積變小。由于機(jī)油的可壓縮性較小，柱塞在被壓縮過程中，機(jī)油通過柱塞前端的阻尼小孔和柱塞與殼體的配合間隙泄出。泄油產(chǎn)生的阻尼吸收鏈條的波動，降低了嚙合噪聲[2-3]。

2 正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

正時(shí)鏈條張緊器通過柱塞壓縮產(chǎn)生的阻尼力來抑制鏈條的抖動，若正時(shí)鏈條張緊器無法抑制鏈條的抖動，則會出現(xiàn)鏈條拍打動軌產(chǎn)生鏈條拍打噪聲，或動軌與正時(shí)鏈條張緊器柱塞分離，產(chǎn)生動軌與正時(shí)鏈條張緊器柱塞敲擊噪聲。正向設(shè)計(jì)開發(fā)正時(shí)系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)來對正時(shí)鏈條張緊器進(jìn)行選型，因?yàn)檎龝r(shí)鏈條張緊器需滿足鏈條內(nèi)張力與柱塞振幅要求。但是動態(tài)測試無法覆蓋所有發(fā)動機(jī)工況，即使進(jìn)行了正時(shí)鏈條張緊器選型，仍有產(chǎn)生正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是當(dāng)機(jī)油溫度較低時(shí)，容易產(chǎn)生敲擊噪聲。低速時(shí)，VVT（可變氣門正時(shí)）調(diào)節(jié)角度較大，機(jī)油消耗較大，且機(jī)油壓力較低，供給正時(shí)鏈條張緊器的機(jī)油壓力降低，因此低速時(shí)容易產(chǎn)生正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲。同時(shí)，因?yàn)榈退贂r(shí)，發(fā)動機(jī)其他噪聲均較低，正時(shí)鏈條張緊器的敲擊噪聲比高速時(shí)明顯且易識別。

本文基于多款發(fā)動機(jī)的正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲，研究正時(shí)鏈條張緊器無法抑制正時(shí)系統(tǒng)抖動的原因及解決正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲的相應(yīng)措施。

3 降低正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲的方法

3.1 減少機(jī)油泄出量增大正時(shí)鏈條張緊器阻尼力

因正時(shí)鏈條張緊器殼體內(nèi)部高壓腔的機(jī)油可壓縮性小，柱塞壓縮過程會產(chǎn)生阻尼力。但如果內(nèi)部有空氣未及時(shí)排出，阻尼力會因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s性大幅度降低。因此，為保證正時(shí)鏈條張緊器正常工作，需排出內(nèi)部空氣。

為了使正時(shí)鏈條張緊器柱塞內(nèi)部排氣順暢，柱塞頂端設(shè)計(jì)排氣孔，同時(shí)正時(shí)系統(tǒng)布局時(shí)需要考慮發(fā)動機(jī)整機(jī)在發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的傾斜角度。正時(shí)鏈條張緊器柱塞朝上布局，有利于氣體排出。

高壓腔的機(jī)油泄出有2 個(gè)途徑：

途徑1，如圖2 中紅色曲線，機(jī)油從柱塞與殼體配合間隙中流出；

圖2 正時(shí)鏈條張緊器機(jī)油流動路線

途徑2，如圖2 中橙色曲線，機(jī)油從柱塞內(nèi)部排氣孔排出。

調(diào)整正時(shí)鏈條張緊器阻尼力，主要是調(diào)整這2個(gè)途徑的機(jī)油泄出速度。

途徑1 機(jī)油泄出速度調(diào)整方法為減小柱塞與殼體配合間隙，增大阻尼力[4-5]。但較多廠家基于柱塞運(yùn)行過程同軸度要求、加工成本與產(chǎn)品平臺化考慮，會將配合間隙設(shè)計(jì)為固定范圍。

途徑2 機(jī)油泄出速度調(diào)整方法為通過調(diào)整柱塞內(nèi)部機(jī)油頂端泄出速度，這是最常見的調(diào)整方式。一般在彈簧末端增加控油盤或者螺塞，通過控制控油盤或螺塞的迷宮尺寸起到調(diào)整機(jī)油泄出量的作用。

機(jī)型A 的控油盤結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控油盤

調(diào)整控油盤迷宮槽的截面積，由0.09 mm2更改為0.32 mm2。振動頻率為25 Hz 時(shí)，阻尼力由210 N增大至580 N。在正時(shí)鏈條張緊器產(chǎn)生敲擊噪聲的發(fā)動機(jī)上進(jìn)行NVH 性能測試，測試結(jié)果如圖4 和圖5所示。

圖5 不同控油盤迷宮槽截面積的正時(shí)鏈條張緊器振動云圖

從圖4 和圖5 可知，通過增大控油盤截面積來增大正時(shí)鏈條張緊器阻尼力，可以有效降低正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲，正時(shí)鏈條張緊器振動加速度由110 g 減小至45 g。

但阻尼力增大的同時(shí)會帶來正時(shí)系統(tǒng)內(nèi)張力增大，增大了鏈條嘯叫風(fēng)險(xiǎn)。若鏈條內(nèi)張力超過了鏈條疲勞極限，鏈條會出現(xiàn)疲勞斷裂失效現(xiàn)象。因此，在通過增大正時(shí)鏈條張緊器阻尼力來降低正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲時(shí)，需同步評估鏈條嘯叫風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行正時(shí)系統(tǒng)動態(tài)測試以評估鏈條受力，確定鏈條內(nèi)張力是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

3.2 增大正時(shí)鏈條張緊器單向閥進(jìn)油量與增設(shè)儲油腔

如前所述，機(jī)油從正時(shí)鏈條張緊器低壓腔進(jìn)入高壓腔，高壓腔機(jī)油泄出產(chǎn)生阻尼力。因?yàn)閱蜗蜷y進(jìn)油量等于機(jī)油消耗量，若低壓腔進(jìn)油量不夠，即使減小了泄油速度，阻尼力也有可能無法增大。

柱塞往外伸出時(shí)，導(dǎo)致機(jī)油體積變化，需要單向閥及時(shí)補(bǔ)充機(jī)油。若單向閥進(jìn)油不及時(shí)，高壓腔內(nèi)出現(xiàn)部分真空，而柱塞進(jìn)入了下一個(gè)振動循環(huán)，因真空的可壓縮性，使得阻尼力大幅度減小，進(jìn)而導(dǎo)致正時(shí)鏈條張緊器產(chǎn)生敲擊噪聲。

機(jī)型B 為了增大單向閥進(jìn)油量，由球閥更改為柱塞閥，進(jìn)油口直徑從2.5 mm 更改至5 mm，如圖6所示。

圖6 增大單向閥進(jìn)油孔

測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊振動加速度變化（綠色為增大單向閥進(jìn)油孔）

從圖7 可以看出，增大單向閥進(jìn)油孔后，正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊振動加速度由37 g 減小至16 g。

若正時(shí)鏈條張緊器單向閥外部機(jī)油儲油量不夠，即使增大進(jìn)油孔，仍無法有效增大實(shí)際進(jìn)油量。

機(jī)型B 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，正時(shí)鏈條張緊器出現(xiàn)低速敲擊振動時(shí)，低壓腔油壓出現(xiàn)負(fù)壓。如圖8 所示。

圖8 正時(shí)鏈條張緊器敲擊振動對應(yīng)低壓腔油壓

原因是正時(shí)系統(tǒng)為了克服負(fù)載波動，正時(shí)鏈條張緊器柱塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)儲油不夠時(shí)，高壓腔體積變化迅速將低壓腔抽成真空。高壓腔機(jī)油得不到及時(shí)補(bǔ)充，阻尼力減小，加劇了正時(shí)系統(tǒng)抖動，柱塞位移增大，需要的機(jī)油量更大。惡性循環(huán)加劇了正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲的產(chǎn)生。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)通常增設(shè)低壓儲油腔來進(jìn)行儲油。低壓儲油腔可設(shè)計(jì)在正時(shí)鏈條張緊器殼體上，也可以設(shè)計(jì)在缸體上。

圖9 為常見的正時(shí)鏈條張緊器低壓儲油腔結(jié)構(gòu)。

圖9 正時(shí)鏈條張緊器低壓儲油腔結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)型B 的正時(shí)鏈條張緊器增設(shè)低壓儲油腔后，進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 增設(shè)低壓儲油腔后正時(shí)鏈條張緊器敲擊振動加速度變化

從圖10 可以看出，增設(shè)低壓儲油腔后，正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊振動加速度由200 g 減小至70 g。

3.3 增大主油道機(jī)油壓力

增大主油道機(jī)油壓力，也可以有效增大正時(shí)鏈條張緊器阻尼力，這也是正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲在高轉(zhuǎn)速機(jī)油壓力大時(shí)不容易發(fā)生的原因之一。

機(jī)型C 在正時(shí)鏈條張緊器出現(xiàn)敲擊噪聲工況進(jìn)行機(jī)油泵高低壓模式切換，并進(jìn)行測試，結(jié)果如圖11所示。

圖11 機(jī)油泵高低壓模式下正時(shí)鏈條張緊器振動加速度變化

從圖11 可以看出，將機(jī)油泵低壓模式切換成高壓模式，正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲明顯降低；再切換回低壓模式，正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲明顯增大。

3.4 增大正時(shí)鏈條張緊器柱塞彈簧力

正時(shí)鏈條張緊器柱塞彈簧力根據(jù)發(fā)動機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)，一般在50～110 N 范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)動機(jī)剛起動，沒有阻尼力時(shí)，正時(shí)系統(tǒng)主要靠彈簧力抑制振動[5]。因此，增大正時(shí)鏈條張緊器柱塞彈簧力，可有效降低發(fā)動機(jī)起動時(shí)正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲。

4 結(jié)論

1）減少機(jī)油泄出量增大正時(shí)鏈條張緊器阻尼力、增大正時(shí)鏈條張緊器單向閥進(jìn)油量與增設(shè)低壓儲油腔、增大主油道機(jī)油壓力，均可有效降低正時(shí)鏈條張緊器低速敲擊噪聲。

2）增大正時(shí)鏈條張緊器柱塞彈簧力，可有效降低發(fā)動機(jī)起動時(shí)正時(shí)鏈條張緊器敲擊噪聲。