基于角度域分析的某四缸機(jī)異響排查及改進(jìn)

邢維者，陳寒霜，田子龍，任 超，徐仰匯

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

截止2019年底，全國汽車保有量達(dá)2.6億輛。人們?cè)谫徿嚂r(shí)除了關(guān)注外造型、經(jīng)濟(jì)性、內(nèi)飾及動(dòng)力性之外，對(duì)汽車的舒適性也有了更加苛刻的要求。整車 NVH性能是衡量車輛品質(zhì)高低的重要指標(biāo)之一[1]，中消協(xié)發(fā)布的《2019年全國消協(xié)組織受理投訴情況分析》顯示，汽車及零部件高居商品類投訴榜第一名，總量達(dá)到34 335件，占比消費(fèi)者總投訴的42%，同比增長 25.1%，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器為主要投訴部件。相比于變速器，消費(fèi)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)異響方面的問題更為敏感。通常遇到噠噠聲、唧唧聲等異響問題，都會(huì)尋求售后的幫助。因此，整車 NVH性能已成為各大主機(jī)廠的重點(diǎn)提升方向之一[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)都在朝著低摩擦、高性能的方向發(fā)展[3]。在提升發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的同時(shí)，還應(yīng)該要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī) NVH性能。尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)異響方面的問題，對(duì)零部件之間的間隙控制有了更高的要求。

十幾年前，測(cè)試設(shè)備及軟件功能較為簡(jiǎn)單，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部敲擊異響問題，通常只能通過更換零部件進(jìn)行排查。近年來隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累和設(shè)備功能的完善，噪聲源的識(shí)別方法越來越豐富。通常來說，發(fā)動(dòng)機(jī) NVH問題都是以轉(zhuǎn)速及時(shí)間為單位進(jìn)行分析。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能研發(fā)的深入，傳統(tǒng)的FFT分析方式已經(jīng)不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)NVH問題點(diǎn)的排查及優(yōu)化。角度域分析方法，以發(fā)動(dòng)機(jī)工作周期為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行角度域轉(zhuǎn)換，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及噪聲信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)工作相位建立聯(lián)系，有利于尋找出異常信號(hào)發(fā)生的規(guī)律及原因，從而快速鎖定問題根源。因此，角度域分析法在發(fā)動(dòng)機(jī) NVH問題點(diǎn)的排查和優(yōu)化中的應(yīng)用越來越廣泛。

某自主研發(fā)的1.3 L四缸發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)怠速工況存在“噠噠聲”異響，并且現(xiàn)象不穩(wěn)定，冷機(jī)無此問題。發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)噪聲時(shí)域測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1所示，在42 s及55 s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)噠噠聲。

圖1 怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)噪聲

取一秒鐘的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2所示，結(jié)果表明，一秒鐘內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了6次敲擊聲。對(duì)應(yīng)該轉(zhuǎn)速下（700 rpm）可得，發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)兩圈，噠噠聲出現(xiàn)一次。

本文對(duì)該四缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部敲擊產(chǎn)生的噠噠聲問題展開研究，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)電控信號(hào)，測(cè)試時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)相位信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集。運(yùn)用角度域分析方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部敲擊時(shí)刻進(jìn)行分析，鎖定敲擊時(shí)刻及敲擊位置。對(duì)敲擊位置進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，以消除發(fā)動(dòng)機(jī)噠噠聲。

1 測(cè)試及角度域分析結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，曲軸位置傳感器及凸輪軸位置傳感器監(jiān)測(cè)配氣相位機(jī)構(gòu)所處的位置，這些位置信息傳達(dá)到 ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元），從而確定各氣缸的噴油量及點(diǎn)火時(shí)刻[4]?？梢詫⒄駝?dòng)噪聲信號(hào)與相應(yīng)的曲軸位置信號(hào)、凸輪軸位置信號(hào)或者點(diǎn)火信號(hào)同時(shí)采集，建立起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)位置之間的聯(lián)系[5]。

同時(shí)采集噪聲信號(hào)、一缸點(diǎn)火信號(hào)及曲軸位置齒圈信號(hào)，截取一秒鐘的時(shí)域數(shù)據(jù)（圖 3）。四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作一個(gè)周期曲軸旋轉(zhuǎn) 720°CA，選取一缸壓縮上止點(diǎn)作為零參考點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行角度域分析（圖 4）。結(jié)果表明，怠速工況下，一秒鐘發(fā)動(dòng)機(jī)一秒鐘工作了六個(gè)周期，噠噠聲出現(xiàn)六次，即發(fā)動(dòng)機(jī)每工作一個(gè)周期噠噠聲出現(xiàn)一次。

圖3 時(shí)域數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

圖4 近場(chǎng)噪聲角度域分析結(jié)果

選取一個(gè)周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。結(jié)果表明，噠噠聲出現(xiàn)在一缸壓縮上止點(diǎn)后200°CA的時(shí)刻。

圖5 一個(gè)周期近場(chǎng)噪聲角度域數(shù)據(jù)

2 異響源排查及試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步分析異響源位置，在發(fā)動(dòng)機(jī)本體上進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。缸體振動(dòng)數(shù)據(jù)存在與噠噠聲出現(xiàn)時(shí)刻相同的振動(dòng)信號(hào)，因此可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)噠噠聲來源于缸體內(nèi)部的機(jī)構(gòu)。

圖6 缸體振動(dòng)信號(hào)與近場(chǎng)噪聲信號(hào)對(duì)比

該款發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的點(diǎn)火順序?yàn)橐弧⑷?、四、二，各缸工作過程如圖7所示。結(jié)合角度域分析結(jié)果，噠噠聲出現(xiàn)時(shí)刻為一缸壓縮上止點(diǎn)后 200°CA，此時(shí)三缸處于做功狀態(tài)，因此初步判斷敲擊位置來源于三缸的活塞連桿總成。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程

缸體內(nèi)部主要包含曲軸、連桿、活塞及活塞銷等[6]。產(chǎn)生敲擊的位置主要為零部件之間存在間隙的區(qū)域。其中活塞與活塞銷、活塞與氣缸、活塞銷與連桿小頭、連桿大頭與曲軸軸頸之間均存在一定的間隙[7]。因此，需要重點(diǎn)排查這幾個(gè)樣件之間的配合間隙。

將第三缸的活塞連桿總成與第四缸的活塞連桿總成進(jìn)行對(duì)調(diào)。測(cè)試結(jié)果如圖8所示，結(jié)果顯示，噠噠聲出現(xiàn)時(shí)刻變?yōu)?80°CA，與原狀態(tài)相比，轉(zhuǎn)移了180°CA，此時(shí)的敲擊時(shí)刻為四缸做功行程。據(jù)此確定，噠噠聲敲擊與三缸的活塞連桿總成有關(guān)。

圖8 對(duì)調(diào)三、四缸活塞連桿總成的近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

3 異響源分析及改進(jìn)方案

將第三、四缸的活塞連桿總成拆解進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果顯示，活塞與活塞銷、活塞與氣缸、活塞銷與連桿小頭、連桿大頭與曲軸軸頸之間的間隙均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。但對(duì)比連桿小頭與活塞銷之間的間隙，第三缸的連桿小頭與活塞銷之間的間隙大于第四缸連桿小頭與活塞銷之間的間隙。圖9為連桿小頭與活塞銷之間配合的示意圖。

圖9 連桿小頭與活塞銷配合示意圖

結(jié)合測(cè)試結(jié)果，對(duì)敲擊位置進(jìn)行分析。敲擊時(shí)刻為三缸做功行程，當(dāng)活塞壓縮混合氣時(shí)，受到混合氣壓力的影響，連桿小頭下側(cè)頂著活塞銷，活塞上行，如圖 10（a）。當(dāng)混合氣被點(diǎn)燃，氣缸內(nèi)壓力急劇增大。此時(shí)活塞下行，連桿與活塞銷之間的位置發(fā)生改變，由于活塞銷與連桿小頭之間存在一定間隙，從而產(chǎn)生了敲擊，如圖10（b）。

圖10 連桿小頭與活塞銷敲擊示意圖

生產(chǎn)過程中，活塞銷和連桿小頭存在一定的制造公差。從控制公差范圍的角度對(duì)間隙進(jìn)行控制，會(huì)導(dǎo)致樣件的廢品率升高，成本上升[8]。

為控制成本，提出了增大連桿小頭與活塞銷之間油膜厚度的方案進(jìn)行改進(jìn)。通過在連桿小頭上加工儲(chǔ)油槽，如圖11所示。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，可以將一定量的機(jī)油存儲(chǔ)在連桿小頭中，使得連桿小頭與活塞銷之間有充足的機(jī)油。在氣缸的做功行程，充足的機(jī)油形成的油膜間隙可以緩解連桿小頭與活塞銷之間的敲擊程度。

圖11 連桿小頭改進(jìn)方案

對(duì)改進(jìn)后的連桿進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（圖12），主觀評(píng)價(jià)噠噠聲消除。測(cè)試結(jié)果顯示，200°CA附近的噠噠聲異響已經(jīng)消除。

圖12 工況鎖扣X向剛度位移云圖

圖12 改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)與展望

本研究以某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部敲擊產(chǎn)生的噠噠聲問題點(diǎn)作為案例，介紹了角度域分析方法在發(fā)動(dòng)機(jī)異響排查中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通過測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)相位信號(hào)，將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行角度域轉(zhuǎn)換，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部敲擊時(shí)刻進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在第三缸做功時(shí)，連桿小頭與活塞銷之間產(chǎn)生敲擊。通過優(yōu)化連桿小頭與活塞銷之間的油膜間隙，消除了發(fā)動(dòng)機(jī)噠噠聲。

利用角度域分析的方法，以發(fā)動(dòng)機(jī)工作周期為單位，將發(fā)動(dòng)機(jī)相位與振動(dòng)噪聲問題建立起關(guān)聯(lián)，有利于尋找出異常信號(hào)發(fā)生的規(guī)律及原因，從而快速的鎖定問題根源。