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[发动机] 某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

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发表于 2015-4-10 08:10:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
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某款发动机在测试中被发现其正时皮带系统噪声较大,严重影响了发动机及整车的NVH性能。通过对多个部件的分析发现:发动机机油泵齿形轮和曲轴垫块挡边形状设计不合理,导致齿形带与带轮啮合时产生一个24阶次的切入噪声。本文针对此问题,探讨了对这两个零件的优化设计过程。
        随着客户对汽车产品性能要求的逐步提高,针对汽车的性能测试指标也越来越丰富和严格,其中NVH性能受到很多的关注,成为影响汽车品牌形象的重要指标之一。用户选购汽车时,NVH数据已经成为重要的考虑因素,一个品牌生产的汽车,想要在市场上有好的销量,就必须重视其产品的NVH性能。作为汽车的“心脏”,发动机NVH性能对整车NVH指标有着至关重要的影响。
        根据经验分析,在影响发动机怠速噪声的诸多因素中,发动机正时轮系统噪声对车内噪声总体声压级有1~2dB(A)的贡献,由此可见控制正时轮系的噪声是尤为重要的。我们通过试验和测试,对正时切入噪声进行研究,并对正时皮带轮挡圈进行结构优化设计,并通过试制修改后的部件并装车进行测试,验证了挡圈结构修改方案的合理性,使得正时系统异常噪声得以消除,整机噪声大幅降低。
       

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

        某汽油发动机正时皮带噪声的特征
        在针对某汽油发动机的NVH测试中发现,车内噪声测试结果曲线中显示存在有320Hz左右的峰值。如图1所示,某车辆在消声室内测得的驾驶员右耳位置的怠速噪声频谱。在该噪声频谱中,频率为320Hz左右的声音为车内怠速噪声的最主要来源,如不解决该频率的噪声问题,则车内怠速噪声无法进一步降低。
        经过主观评价发现发动机的异响来源主要集中在发动机前端轮系,去除动力附件的皮带后,让发电机、水泵和空调压缩机均不工作,发现异响依然存在,所以可以排除是动力附件产生的异响,下面重点对正时轮系进行检查。如图2所示,整套正时齿轮传动系统由曲轴正时齿形轮、机油泵齿形轮、排气凸轮轴齿形轮、进气VVT齿形轮、张紧轮和惰轮等组成。
       

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

        用于对噪声源的定位的三项测试参数
        测试中要对冷机怠速(油温为20℃)和热机怠速(油温为85℃)分别进行以下测试:
        1.发动机转速测量 利用光电设备测量发动机曲轴转速。
        2.发动机前方1m噪声测量 麦克风轴线对准曲轴轴线,麦克风前端面距离减振皮带轮外端面距离为1m。
        3.三点近场噪声测量 分别在进气VVT齿形轮、排气凸轮轴齿形轮和机油泵齿形轮处设置麦克风,麦克风轴线过各带轮轴线,其前端面距离各带轮端面距离10cm。
       

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

        如图3所示,经过测量绘制出的发动机前方1m处噪声和三点近场噪声曲线。测试结果曲线显示存在频率为320Hz左右的峰值,与车内测得的驾驶员右耳位置的怠速噪声频谱吻合。因此,可以确定车内怠速噪声的最主要声源就是来自发动机正时系统。对比冷、热机怠速噪声,发现在冷机和热机条件下,噪声趋势是基本一致的。
        根据正时皮带传动产生噪声机理,由于发动机工作过程中正时皮带与齿形轮相啮合,而齿带与齿带轮之间不可避免的会产生偏差,从而引起啮合冲击及摩擦,从而引起噪声。这种啮合冲击对皮带是一个周期性的激励,其啮合频率为:
       

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

        式中,N为齿形轮的齿数;n为发动机转速(r/min)。
        这种周期性的激励是皮带产生横向强迫振动,相应的啮合噪声的频率等于啮合频率。特别是当其频率等于皮带横向振动的某一阶次自然频率时,会产生共振和强烈的噪声。此外,每一个啮合冲击也会激起噪声。
        如图4所示,经过分析,曲轴正时齿形轮为24齿,与各齿形轮噪声瀑布中测量的结果正好吻合。可以断定正时齿形带与齿轮的切入冲击产生了24阶次、48阶次和72阶次等噪声。前方1m噪声瀑布图,24阶(边频阶次上下各2个)以及前5协次的能量尤其突出,根据阶次理论,为正时系统产生;同时部分转速区间存在冲击能量。三点近场均存在类似现象,且以机油泵齿形轮的近场噪声的频谱表现最为明显。
       

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

某汽油发动机正时系统噪声分析与优化

        正时皮带噪声的影响因素
        对于正时皮带噪声的分析表明,影响因素主要有发动机转速、齿形轮挡边结构及张紧力等。下面将针对以上影响因素进行逐一分析。
        1.发动机转速对正时轮系噪声的影响
        在前方1m噪声测量分析结果中发现正时皮带的阶次噪声随发动机转速增加而增加。因此,发动机怠速时转速越低噪声就越小,且保证发动机怠速运行的稳定性对控制阶次噪声也是有很大帮助的。
        2. 齿形轮挡边结构对正时轮系噪声的影响
        对机油泵齿形轮挡边结构进行去除处理,再进行近场噪声测量。测试结果显示使用无挡边的机油泵齿形轮比原型的机油泵,运行噪声最大可降低4dB(A)。因此,这就要求设计开发时,各正时齿形轮挡边不能与齿带发生接触,否则会有切入噪声。
        3.张紧力对正时轮系噪声的影响
        在正时皮带传动结构中,为了确保皮带不打滑,在皮带松边需要增加张紧机构进行张紧。根据发动机正时皮带的需要,制作多种张紧力规格的张紧器进行测量,不同张紧力的怠速噪声记录结果见表所示。
        对比发现,怠速噪声随张紧力增加而增大,最大噪声相差约13dB(A),因此,选择合适的张紧力也非常重要。
        正时皮带噪声的改进
        在发动机实际工作过程中,降低发动机转速、降低张紧力等是不可能的,这会增大皮带抖动,带来等大的噪声甚至会音响发动机的正常运转。如图5所示,针对实际情况分析,解决正时皮带噪声的关键是优化各皮带轮的挡边结构。
        台架测试主观评价表明:正时轮系异常噪声消失,切入噪声完全消失,仅有柔和的皮带啮合声音。另外,近场噪声测量发动机1m噪声分贝数也降低了3dB(A)。
        结语
        1.正时皮带噪声对发动机甚至整车的NVH水平影响非常大,在进行相关部件设计时应考虑降低噪声。
        2.正时皮带噪声大的主要原因是发动机机油泵齿形轮、减振皮带轮和曲轴垫块挡边设计不合理,会导致皮带与皮带轮啮合时产出噪声。
        3.合理设计正时系统中各皮带轮的结构,选择适当的张紧力,可以降低正时皮带的噪声。
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