摩托車單缸平衡軸汽油機怠速撞擊聲音的改善

王尚禮，劉小林，姚強偉，劉天勝，趙 鑫，譚紅梅

(中國嘉陵工業(yè)股份有限公司（集團）技術中心，重慶 402760)

摩托車單缸平衡軸汽油機怠速撞擊聲音的改善

王尚禮，劉小林，姚強偉，劉天勝，趙 鑫，譚紅梅

(中國嘉陵工業(yè)股份有限公司（集團）技術中心，重慶 402760)

以摩托車單缸汽油機為研究對象，用聲壓傳感器在發(fā)動機右側(cè)測試，熱機狀態(tài)的聲音比冷機的大了1.8 dB(A)、3.8 sone，較大聲壓在工作周期頻率(12.5 Hz)的1～9階，用轉(zhuǎn)速表測試發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化，熱機轉(zhuǎn)速最大變化率比冷機增大了12.8%。將聲音與燃燒、溫度和轉(zhuǎn)速變化等因素綜合分析和試驗表明：化油器狀態(tài)對應配氣相位不能適應空燃比0.97～1.03，平衡軸對應的曲柄轉(zhuǎn)動慣量不足，曲軸正偏置使點火角提前，進排氣相位提前是聲音大的主要原因。采用提前排氣開、推遲進氣和增大氣門間隙來減小氣門疊開角，設計新結(jié)構(gòu)曲柄增大轉(zhuǎn)動慣量，推遲點火角減小沖擊等措施。結(jié)果表明：調(diào)整機的聲音最大降低了2.2 dB(A)、4.1 sone，最大轉(zhuǎn)速變化率減小了10.2%，主觀對比評價感受：調(diào)整機的聲音優(yōu)于原型機。

聲學；汽油機；撞擊聲音；怠速；曲軸轉(zhuǎn)速變化；頻譜分析；聲壓；響度；方法

發(fā)動機噪聲已成為中高檔摩托車選購的主要因素，其中怠速工況的聲音是重要因素。聲音是產(chǎn)品設計制造管理水平和質(zhì)量的綜合體現(xiàn)，所以改善發(fā)動機聲音至關重要，為此國內(nèi)外開展了大量研究工作[1–3]。

中國嘉陵工業(yè)股份有限公司開發(fā)了一款動力強勁、油耗低、振動小的中高檔大排量摩托車，因右側(cè)怠速撞擊聲音大，導致用戶抱怨，嚴重影響了產(chǎn)品銷量，迫切需要改進。公司組織專家進行多輪攻關，與國內(nèi)天津大學、重慶大學、武漢理工大學等多家科研機構(gòu)合作，取得一定效果，但還沒有達到高端產(chǎn)品的品質(zhì)要求。

舒歌群、郝志勇等開展了柴油機的降噪、汽車聲音測試和評價等研究[4–7]，但摩托車汽油機的工質(zhì)、點燃和冷卻方式與柴油機不同，且裸露在外面與人較近，聲音難控制。國內(nèi)較少研究摩托車單缸大排量風冷汽油機噪聲。

在有關專家研究成果的基礎上，筆者通過調(diào)查、分析和試驗，找到了原因，制定了措施，改善了發(fā)動機的聲音，成功實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

1 研究對象、測試設備及方法

研究對象為單缸四沖程汽油機，其為立式、風冷+油冷、單軸平衡、電噴，排量為223 mL，行程×缸徑為66.27 mm×65.5 mm，曲軸正偏置為3.2 mm，怠速為1 500 r/min，采用鋁合金箱體，鋼齒輪。

在背景噪聲小于60 dB(A)的空曠地帶，用Gras聲壓傳感器在距發(fā)動機右箱蓋0.3 m處測量聲壓，結(jié)果如圖1所示。

圖1 測試示意圖

采用LMS SCR05數(shù)采前端，參考文獻[4–8]，用LMS.Test.Lab 9A軟件處理數(shù)據(jù)，分析頻譜特性、聲壓級A計權和響度。用日本小野SE-1200轉(zhuǎn)速表測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化，每間隔6 s記錄轉(zhuǎn)速的最大值和最小值。

2 聲音問題描述

（1）熱機狀態(tài)下（機油溫度117℃時）聲音變大，不平穩(wěn)；熱機比冷機聲音增大1.8 dB(A)、3.8 sone，如圖2所示。熱機狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)速變化率比冷機增大12.8%，如圖3所示。

圖2 聲音測試指標對比

圖3 原型機冷機、熱機狀態(tài)轉(zhuǎn)速變化率

（2）發(fā)現(xiàn)較大聲壓與發(fā)動機的工作周期有關，如圖4所示。較大聲音出現(xiàn)在低頻，排除了爆燃的可能性。熱機大于75 Hz頻率的聲壓值明顯大于冷機。

3 分析與試驗

1）與發(fā)動機右側(cè)聲音有關的零件有初級齒輪副和平衡軸齒輪副。取掉初級齒輪副和平衡軸部件，聲音明顯減小。取掉平衡軸，聲音明顯減??；取掉初級齒輪副，聲音明顯減小。這表明聲音與兩者有關。

2)對于熱機后聲音變大現(xiàn)象的分析與試驗

(1)熱機后，進氣充量減小，殘余廢氣系數(shù)增大，影響燃燒[9]，噪聲增大，電噴空燃比從0.75～0.85變?yōu)?.97～1.03，聲音變大和不平穩(wěn)；

圖4 原型機冷機、熱機狀態(tài)的噪聲頻譜

(2)假設V不變，PV/T為常量，冷機溫度T1為293 K，熱機缸體溫度T2為379 K，可知P2=P1×T2/T1=1.29P1，熱機后，發(fā)動機阻力變大，由于進氣充量的減小和散熱損失，熱機的壓力小于1.29 P1。熱機的電啟動缸壓值比冷機高17%，間接表明熱機后阻力變大。熱機時，取消電磁阻力，聲音減小，表明應減小阻力。

3）與轉(zhuǎn)速變化有關的是燃燒、轉(zhuǎn)動慣量、阻力。

(1)熱機后，空燃比從0.75～0.85變?yōu)?.97～1.03，影響燃燒，影響噪聲。

(2)與基礎機型相比，此機型曲柄及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量減小了10.3%，轉(zhuǎn)動慣量不足易造成發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動大，使驅(qū)動件與被動件產(chǎn)生沖擊和噪聲[10]。增大轉(zhuǎn)動慣量后，轉(zhuǎn)速波動減小，聲音平穩(wěn)，但聲音仍較大，表明還有其他原因。

(3)與基礎機型相比，此機型增加了平衡軸及齒輪副，增大了阻力。取掉平衡軸，聲音明顯減小。

4）與發(fā)動機工作周期有關的有燃燒、活塞敲缸、齒輪撞擊。

圖5 曲軸正偏置后上至點對應的角度變化示意圖

與基礎機型相比，此機型曲軸正偏置為3.2 mm，曲柄半徑為33.1 mm，連桿長度為110 mm，從圖5可知，α=asin(e/(R+L))，活塞上至點對應的曲軸轉(zhuǎn)角推后1.3°，點火提前1.3°，排氣關和進氣開相位提前1.3°，導致殘余廢氣系數(shù)增大，燃燒不穩(wěn)定，加之壓縮比增大了0.2，燃燒粗暴，增大活塞敲缸音和齒輪沖擊，應推遲點火角和調(diào)整配氣相位。

5）較大聲音發(fā)生在低頻段，這與文獻[11]中的齒輪撞擊噪聲頻譜曲線相似。應考慮如何減小齒輪撞擊音。

4 措施

根據(jù)分析和試驗情況，采取以下措施：

（1）排氣相位開提前7°，排氣關推遲2°，進氣相位推遲2°，增大氣門間隙0.02，增大排氣量和減小氣門疊開角，以減小殘余廢氣系數(shù)。

（2）在空間受限、不改變箱體結(jié)構(gòu)的前提下，設計新結(jié)構(gòu)曲柄，使其比原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量增加10.1%，如圖6(b)所示。增加轉(zhuǎn)動慣量可提高運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。

圖6 調(diào)整前后的曲柄

(3)推遲點火角2°，減小沖擊。

5 結(jié)果分析與討論

(1)測試結(jié)果與分析

由圖7可知，與原型機相比，調(diào)整機的聲音最大下降了2.2 dB(A)、4.1 sone，響度的改善值比聲壓級A計權大。

圖7 聲音測試指標對比(熱機狀態(tài))

從圖8可知，最大轉(zhuǎn)速變化率減小10.2%。

圖8 轉(zhuǎn)速變化率對比(熱機狀態(tài))

從圖9可知，大于88 Hz頻率的聲壓值減小。

（2）請9位用戶對比盲評，從表1可知，有8位感覺調(diào)整機有改善，從平均分來看，調(diào)整機的聲音改善了16.4%。

評價標準為：非常好：≥9～10，好：≥8～9，較好：≥7～8，普通：≥6～7，較差：≥5～6。

（3）從圖7、圖8可知，聲壓級A計權值、響度值小對應的最大轉(zhuǎn)速變化率小，這表明轉(zhuǎn)速變化與聲音有關。聲音測試與主觀評價結(jié)果表明聲壓級A計權值、響度值和最大轉(zhuǎn)速變化率可作為發(fā)動機怠速聲音的評價指標。

圖9 頻譜對比(熱機狀態(tài))

表1 聲音對比盲評結(jié)果表

（4）經(jīng)過不同時期裝機批量驗證，聲音品質(zhì)穩(wěn)定、一致性好。

6 結(jié)語

（1）測試、主觀評價結(jié)果表明調(diào)整機的聲音優(yōu)于原型機，說明分析是合理的，措施是有效的。

（2）聲壓級A計權值、響度值和最大轉(zhuǎn)速變化率可作為發(fā)動機怠速聲音的評價指標。

（3）將聲音與有關因素綜合分析，尋找更多的可能性，將這些可能性貫穿起來，實踐表明此方法是有效的。

（4）發(fā)動機的撞擊音測試可以在背景噪聲小于60 dB(A)的空曠地帶進行，成本較低，值得推廣。

致謝：

感謝清華大學汽車工程系裴普成教授、重慶市前沿專利事務所劉興順、嘉陵集團宋明、左輝榮高工、重慶長興工業(yè)有限公司陳坤部長、重慶長江軸承股份有限公司王明書高工、立多祿工業(yè)股份有限公司施正恩工程師以及李壽明、林崗、雷萬福、諶軍等工程師對本文的技術支持和幫助。

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Improvement of the Knock Sound Quality in Idle Performance for a Motorcycle’s Single-cylinder Gasoline Engine with a Balance Shaft

WANG Shang-li,LIU Xiao-lin,YAO Qiang-wei,LIU Tian-sheng,ZHAO Xin,TAN Hong-mei
(Technical Center of China Jialing Industrial Co.Ltd.,(Group),Chongqing 402760,China)

The motorcycle’s single-cylinder gasoline engine with a balance shaft was studied.The sound on the right side of the engine was tested by sound pressure sensors.The results show that the sound of the hot engine was 1.8 dB(A)/4.2 sone larger than that of the cold engine,and the larger sound pressure was distributed in 1st-9th orders of the engine function frequency(12.5 Hz).The speed variation of the engine was tested by tachometers.The results show that the maximum variation rate of crank rotation speed of the hot engine was 12.8%larger than that of the cold engine.Synthetic analysis of the sound and its influencing factors,such as combustion,temperature and rotation speed variation of the crank,and the corresponding test show that distribution phase of the carburetor engine does not fit the EFI engine,moment of inertia of the crank shaft is insufficient,ignition angle,intake opening angle and exhaust closing angle are advanced due to the positive offset crankshaft.Of them the advance of the intake and exhaust phases is the main reason of the large noise.Then,some measures,such as advancing the exhaust opening angle,delaying the exhaust closing angle,delaying intaking angle.increasing the valve clearance to reduce valve overlap,using new type crank which has large moment of inertia,delaying the ignition angle to reduce the shock and so on,were employed.The results show that the maximum reduction of the sound pressure of the engine reaches 2.2 dB(A),the maximum reduction of loudness reaches 4.1 sone,and the maximum crank rotation speed variation is reduced by 10.2%.According to the subjective evaluation,the sound quality is greatly improved.

acoustics;gasoline engine;knock sound;idle;crank rotate variation;spectrum analysis;sound pressure;loudness;method

TK411+.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.043

1006-1355(2017)04-0214-04

2016-12-13

王尚禮(1982－)，男，西安市人，碩士，高級工程師，研究方向為摩托車發(fā)動機的減振降噪、可靠性及曲柄連桿機構(gòu)的設計優(yōu)化等。

E-mail:wslmail-01@163.com