柴油機(jī)正時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)低頻噪聲改善的研究

孫立永　李　樂　孫　璇　屈偉　尚　運(yùn)　蔡永慶（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

柴油機(jī)正時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)低頻噪聲改善的研究

孫立永1，2李樂1，2孫璇1，2屈偉1，2尚運(yùn)1，2蔡永慶1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

為改善某四缸增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH（Noise Vibration and Harshness），通過優(yōu)化正時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架效果驗(yàn)證，結(jié)果表明：優(yōu)化正時(shí)系統(tǒng)罩蓋，調(diào)節(jié)皮帶張緊力，增加惰輪對(duì)整機(jī)低頻噪聲改善效果明顯。

柴油機(jī)NVH正時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化

引言

隨著乘用車油耗法規(guī)逐年加嚴(yán)的趨勢(shì)，且在“單車油耗限值”基礎(chǔ)上引入了“企業(yè)平均油耗”評(píng)價(jià)體系。為貫徹落實(shí)2015年與2020年乘用車企業(yè)平均燃油油耗量為6.9 L/100 km和5.0 L/100 km的目標(biāo)，柴油機(jī)便凸顯出其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。但柴油機(jī)振動(dòng)及噪聲大等缺陷也使得用戶對(duì)柴油機(jī)的駕駛舒適感評(píng)價(jià)較低，本文針對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)以及噪聲的改善進(jìn)行研究，最大限度減小柴油機(jī)的缺陷。

以某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及搭載SUV整車測(cè)試以及用戶駕駛體驗(yàn)評(píng)價(jià)為背景，對(duì)某柴油機(jī)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在正時(shí)存在“隆隆”聲異響。

本文以改善此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)“隆隆”噪聲為目標(biāo)進(jìn)行研究。

1　研究對(duì)象與試驗(yàn)裝置及環(huán)境要求

本文所涉及的研究對(duì)象為：2.0 L雙頂置凸輪軸單級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)，最大功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速為120 kW/（4 000 r/min），最大扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速為350 N·m/（1 600 r/min～2 800 r/min）。

試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及測(cè)試環(huán)境要求：設(shè)備包含信號(hào)采集系統(tǒng)采用LMS Test.lab中Signature測(cè)試系統(tǒng)及SCADAS Mobile數(shù)采前端、1/2 in麥克風(fēng)（ICP）具備I級(jí)精度、聲校準(zhǔn)器（采用94 dB、1000 Hz或114 dB、251.2 Hz）及光電轉(zhuǎn)速傳感器（要求采集轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差在±2%）。發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)噪聲測(cè)試過程在發(fā)動(dòng)機(jī)半消音室或整車半消音室中進(jìn)行，消音室需具備冷卻水恒溫系統(tǒng)和燃油恒溫系統(tǒng)的AVL電力測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)且內(nèi)部基礎(chǔ)噪聲低于被測(cè)噪聲10 dB，試驗(yàn)室環(huán)境要求溫度20℃～30℃，相對(duì)濕度小于60%，如圖1所示。

2　正時(shí)異響問題描述及機(jī)理分析

正時(shí)系統(tǒng)用于保證從動(dòng)軸和主動(dòng)軸之間的準(zhǔn)確正時(shí)。齒形皮帶傳動(dòng)的正時(shí)系統(tǒng)常見于凸輪軸頂置的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于減少噪聲，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低成本非常有利［1］。本柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中采用齒形帶傳動(dòng)正時(shí)系統(tǒng)，正時(shí)系統(tǒng)布置如圖2所示。主要由凸輪軸帶輪、曲軸帶輪、燃油泵帶輪、張緊輪以及水泵惰輪組成。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)半消音室示意圖

圖2　正時(shí)系統(tǒng)布置示意圖

一般來說，旋轉(zhuǎn)機(jī)械各零部件有其固有頻率或特征頻率，當(dāng)受到周期性、沖擊性或者隨機(jī)性激勵(lì)時(shí)，形成各種受迫振動(dòng)或自由振動(dòng)（固有振動(dòng)），擾動(dòng)周圍的空氣介質(zhì)從而形成機(jī)械噪聲［2］。

此柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)存在類似“隆隆”聲異響問題，隆隆聲是一種較典型的因皮帶顫動(dòng)而發(fā)出的聲音。尤其在輔助機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載工作，且發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲會(huì)明顯增大［3］，為進(jìn)一步分析顫動(dòng)位置，展開NVH臺(tái)架測(cè)試，數(shù)據(jù)分析鎖定“隆隆”噪聲頻率段為225 Hz和250 Hz，詳見圖3，對(duì)應(yīng)在正時(shí)系統(tǒng)上的顫動(dòng)端如圖4所示。結(jié)合該發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)布置，最終鎖定該異響聲源為正時(shí)皮帶擾動(dòng)正時(shí)腔內(nèi)氣體，皮帶本身固有頻率與皮帶擺動(dòng)頻率調(diào)制所形成的噪聲。

圖3　正時(shí)異響測(cè)試分析結(jié)果示意圖

圖4　優(yōu)化前正時(shí)系統(tǒng)布置示意圖

3　改善方案NVH測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)正時(shí)異響產(chǎn)生機(jī)理，制定3種改善方案。

3.1正時(shí)罩蓋結(jié)果優(yōu)化方案驗(yàn)證

對(duì)于隔噪來說，最簡(jiǎn)便的方法是對(duì)正時(shí)系統(tǒng)增加一個(gè)罩蓋，但研究表明：罩蓋在一定程度上放大了低頻噪聲，但對(duì)噪聲趨勢(shì)沒有影響?？梢酝ㄟ^在罩蓋上打孔的方式來平衡該矛盾，但存在的問題是會(huì)削弱其對(duì)高頻噪聲的隔離能力，同時(shí)打孔之后罩蓋的固有頻率也會(huì)改變，必須控制罩蓋的固有頻率使其高于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率，以免產(chǎn)生共振［1］。為改善正時(shí)皮帶工作時(shí)擾動(dòng)正時(shí)腔內(nèi)氣體，將正時(shí)上、下罩蓋開孔，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的改善效果，優(yōu)化前后方案詳見圖5。

為驗(yàn)證充分，共制定4種方案，分別為：原狀態(tài)，去除正時(shí)上罩蓋，正時(shí)上罩蓋開孔，正時(shí)下罩蓋開孔，具體測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5　正時(shí)罩蓋優(yōu)化前后對(duì)比示意圖

結(jié)果表明，4種方案中，正時(shí)上、下罩蓋同時(shí)開孔方案線性度平順，改善效果最佳。

3.2張緊輪張緊力優(yōu)化方案驗(yàn)證

本文研究發(fā)動(dòng)機(jī)原正時(shí)系統(tǒng)張緊力為300N，而皮帶存在225 Hz及250 Hz的振動(dòng)，通過分析，在不同張力下，隨著張力增大，噪聲感知最大的轉(zhuǎn)速點(diǎn)也隨之有所上升，皮帶振動(dòng)頻率與張緊輪張緊力大小有關(guān)（張緊力在一定范圍內(nèi)），即制定兩種張緊力的張緊輪進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，張緊力為225 N和255 N，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　不同張緊力對(duì)正時(shí)噪聲影響示意圖

結(jié)果表明：255N的張緊力為最佳狀態(tài)。

3.3正時(shí)輪系優(yōu)化方案驗(yàn)證

一般情況下，皮帶的緊邊與松邊為整根皮帶工作條件較惡劣的帶段，但皮帶張緊力增加后，皮帶緊邊張力增加，但并沒有緩解皮帶松邊的振動(dòng)頻率，為進(jìn)一步研究如何改善正時(shí)皮帶振動(dòng)頻率及本身固有頻率調(diào)制引起正時(shí)“隆隆”聲異響，對(duì)正時(shí)輪系進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后正時(shí)輪系布置如圖8所示，在水泵惰輪及曲軸帶輪之間增加小惰輪，改善皮帶振動(dòng)頻率。

圖9為正時(shí)輪系優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)側(cè)齒輪箱1 m處聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果，從圖可以看出：增加惰輪后正時(shí)“隆隆”聲改善明顯，225 Hz降低了10.3 dB（A），250 Hz降低了14.6 dB（A）。

圖8　正時(shí)輪系優(yōu)化后示意圖

圖9　增加惰輪測(cè)試結(jié)果示意圖

結(jié)果表明：利用現(xiàn)有機(jī)油泵殼體增加安裝孔用于安裝惰輪，有效降低正時(shí)皮帶緊邊振動(dòng)頻率，皮帶異常抖動(dòng)現(xiàn)象消失，所以增加惰輪為較好的解決方案。

4　結(jié)論

1）正時(shí)系統(tǒng)罩蓋的結(jié)構(gòu)對(duì)正時(shí)系統(tǒng)皮帶噪聲有一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮正時(shí)腔內(nèi)皮帶擾流的流向，用在罩蓋上打孔的方式來平衡該矛盾，對(duì)于上下罩蓋的結(jié)構(gòu)形式，采取二者均開孔為最佳方式；

2）皮帶振動(dòng)頻率受張緊輪張緊力影響，增加或減小張緊力可在一定程度上降低噪聲，但張緊力不可無限增加或減小，因不同的發(fā)動(dòng)機(jī)存在不同的張緊力臨界值；

3）在正時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，需考慮皮帶緊邊的擺動(dòng)振幅，必要情況下增加張緊輪。

1李濤，陳特放，史鐵林，等.發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)噪聲診斷與降噪研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（6）：1-6

2朱孟華．內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)與噪聲控制［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995

3孫毅.汽車傳動(dòng)皮帶噪音巧診斷［J］.汽車運(yùn)用，2012（3）：48

Research of the Effects of Diesel Engine's Timing System Optimization on Low Frequency Noise

Sun Liyong1，2，Li Le1，2，Sun Xuan1，2，Qu Wei1，2，Shang Yun1，2，Cai Yongqing1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

For improving the NVH（Noise Vibration and Harshness）of 4-cylinder turbo-charged diesel engine，a research and test of optimizing the timing system proves that the low frequency noise can decrease through improving the timing case，the tension force of the belt and adding the tensioner.

Diesel engine，NVH，Timing system optimization

TK421+.6

A

2095-8234（2016）04-0026-04

2016-05-20）

孫立永（1987—），男，助理工程師，主要從事柴油機(jī)研制與開發(fā)。