某款發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承座異響問題改進(jìn)

陳麗霞 胡 廣 何家棟 孫紅兵 喬彥超

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

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)向小而精方向發(fā)展，同時(shí)要保證高功率、高減振性能、高NVH 品質(zhì)，對發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量要求也就更為嚴(yán)格。發(fā)動(dòng)機(jī)異響指發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不正常的響聲，主要有燃燒異響、空氣動(dòng)力異響及機(jī)械異響。機(jī)械異響指運(yùn)動(dòng)副配合間隙太大或配合面有損傷及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動(dòng)。本文主要對機(jī)械異響進(jìn)行分析。

1 問題描述

某款3 缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在暖機(jī)階段，冷卻水溫為40～80 ℃之間，原地加速到1 200～2 100 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，存在“啪、啪、啪”敲擊聲。車外較明顯，車內(nèi)開窗可識別，完全熱機(jī)后消失。

故障分析步驟如下：

1）打開發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙蓋，在機(jī)艙中通過聽覺鎖定異響源位置在整車前端，確定為發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生；

2）通過噪聲振動(dòng)專業(yè)識別設(shè)備對發(fā)動(dòng)機(jī)異響產(chǎn)生位置及異響發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行檢測識別。異響檢測點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 異響檢測點(diǎn)

通過對異響檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，異響位置在發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸承座。

3）異響時(shí)刻分析。異響時(shí)刻分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 異響時(shí)刻分析結(jié)果

從圖2 所示的異響時(shí)刻分析結(jié)果可知，第1 次敲擊異響出現(xiàn)在第1 缸上止點(diǎn)后15～20 °CA 的位置，為爆發(fā)壓力最大的時(shí)刻。

2 原因分析

2.1 CAE 仿真分析

將第1 缸～第3 缸的4 個(gè)主軸承依次標(biāo)記為MB1～MB4，通過有限元分析軟件，對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主軸承蓋在各個(gè)工況的受力情況進(jìn)行仿真分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4 個(gè)主軸承座存在受力不均的情況（見圖3）。第2 主軸承座受力比第1 主軸承座大1 倍多。在第1 缸最大爆發(fā)壓力時(shí)刻，第3 主軸承出現(xiàn)瞬間垂直向上的力。相比其他3 個(gè)主軸承蓋，第3 主軸承蓋受力最大（見圖4）。結(jié)果是在同一爆發(fā)壓力時(shí)刻各主軸承蓋受力相差較大。

圖3 受力仿真分析（n=1 500 r/min）

圖4 受力仿真分析結(jié)果（n=1 500 r/min）

對不同主軸承座受力瞬間的振動(dòng)加速度進(jìn)行分析對比發(fā)現(xiàn)，第3 主軸承座的振動(dòng)加速度明顯大于其它主軸承座，約為其它主軸承座的8 倍（見圖5），說明在此時(shí)刻，第3 主軸承蓋受力最大。

圖5 振動(dòng)加速度仿真分析

2.2 臺架NVH 異響源探測

在氣缸體主軸承座上布置傳感器進(jìn)行NVH 異響源[1]探測（見圖6），模擬發(fā)動(dòng)機(jī)原地加速工況（加速到1 200～2 100 r/min），出現(xiàn)“啪、啪、啪”的異響，噪聲較明顯。

圖6 臺架探測異響源

圖7 是轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、轉(zhuǎn)矩為50 N·m 工況的異響測試結(jié)果。

圖7 異響測試結(jié)果

從圖7 可以看出，試驗(yàn)測試的敲擊特征與仿真分析結(jié)果一致，第3 主軸承座的敲擊能量最大。

結(jié)合仿真分析[2]及測試結(jié)果可知，敲擊噪聲發(fā)生在第1 缸壓縮上止點(diǎn)后15～20°CA，為爆發(fā)壓力最大時(shí)刻。此刻，第3 主軸承上側(cè)存在一個(gè)突然出現(xiàn)的沖擊力，該沖擊力是由爆發(fā)壓力和曲軸的慣性力合成產(chǎn)生的。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油路分析

機(jī)油泵通過主油道供給潤滑油至主軸承座的過程中，潤滑油路順暢，無死區(qū)、無大量直角彎，可避免機(jī)油壓力明顯降低，保證穩(wěn)定供給潤滑油。

2.4 軸瓦分析

對軸瓦寬度、厚度及合金層材料進(jìn)行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)滿足技術(shù)參數(shù)要求，軸瓦表面無明顯磨損，無磕碰、無合金層脫落問題，油槽可得到有效潤滑（見圖8），說明軸瓦滿足要求。

圖8 軸瓦狀態(tài)

2.5 缸體分析

缸體主軸承座螺栓拆卸力矩滿足要求，無力矩衰減問題，說明螺栓無松動(dòng)，螺栓殘余預(yù)緊系數(shù)滿足要求。

對缸體主軸孔進(jìn)行檢測評價(jià)，主軸孔位置度要求為0.1 mm，實(shí)測為0.08 mm，位置度滿足要求，無位置偏置導(dǎo)致異響問題；主軸孔直徑及同軸度無偏差，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6 曲軸分析

1）對曲軸軸徑進(jìn)行檢測評價(jià)：曲軸軸頸無裂紋、壓傷等缺陷，主軸頸、同軸度、位置度以及表面粗糙度均滿足設(shè)計(jì)要求，無超差問題。

2）對曲軸結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，曲軸平衡塊設(shè)計(jì)成不對稱的結(jié)構(gòu)。常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是偶數(shù)平衡塊設(shè)計(jì)，該發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是5 平衡塊設(shè)計(jì)（見圖9），第3 主軸承（MB3）的曲柄臂只有一側(cè)有平衡塊，另一側(cè)無平衡塊。此類設(shè)計(jì)可極大地減小曲軸的質(zhì)量，降低做功損失及曲軸制造成本，但在發(fā)動(dòng)機(jī)做功行程，主軸承座受力不均，第3 主軸承受到的沖擊力過大，會產(chǎn)生明顯的敲擊噪聲。

圖9 曲軸結(jié)構(gòu)

3）通過對采用6 平衡塊曲軸模型進(jìn)行CAE[3]分析，對主軸承座的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行評價(jià)，如圖10 所示，發(fā)現(xiàn)第3 主軸承受到的沖擊力明顯減小，主軸承座振動(dòng)響應(yīng)降低約50%（見圖11）。說明6 平衡塊曲軸（圖11 中綠線）產(chǎn)生的振動(dòng)低于5 平衡塊曲軸（圖11中紅線）。

圖10 曲軸優(yōu)化方案

圖11 6 平衡塊仿真分析結(jié)果

2.7 間隙分析

主要是進(jìn)行大、小主軸承間隙的仿真分析。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 240 r/min，軸瓦間隙為0.033 mm 時(shí)，第3 主軸承座的振動(dòng)能量仿真結(jié)果如圖12所示；軸瓦間隙為0.021 mm 時(shí)，第3 主軸承座的振動(dòng)能量仿真結(jié)果如圖13 所示。

圖12 軸瓦間隙為0.033 mm 時(shí)仿真結(jié)果

圖13 軸瓦間隙為0.021 mm 時(shí)仿真結(jié)果

從圖12 和圖13可以看出，軸瓦間隙大的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)脈沖比軸瓦間隙小的發(fā)動(dòng)機(jī)大，說明小軸瓦間隙可降低敲擊異響。

綜上所述，可總結(jié)出：

1）由于曲軸是5 平衡塊設(shè)計(jì)，位于MB3 主軸承一側(cè)的曲柄臂無平衡塊，使MB3 主軸承座受到的沖擊力過大，產(chǎn)生明顯敲擊聲；

2）進(jìn)行大、小主軸承間隙的驗(yàn)證試驗(yàn)，CAE 分析及實(shí)車確認(rèn)可知，主軸承間隙減小，能明顯減小振動(dòng)加速度，減小敲擊噪聲。

3 整改對策

整改對策分為如下2 點(diǎn)：

1）曲軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將曲軸的5 平衡塊更改為6平衡塊（見圖14）。

圖14 曲軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化后樣件

2）將曲軸與主軸瓦的間隙減小，上限間隙減小0.005 mm。

4 效果驗(yàn)證

采用6 平衡塊曲軸+小間隙軸瓦的整改對策，進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。整改前第3 主軸承座的實(shí)測噪聲見圖15，整改后第3 主軸承座的實(shí)測噪聲見圖16。

比較圖15 和圖16 可以發(fā)現(xiàn)，整改后，第3 主軸承座的敲擊特征消失，主觀評價(jià)異響消失。

圖15 整改前第3 主軸承座實(shí)測噪聲

圖16 整改后第3 主軸承座實(shí)測噪聲

5 結(jié)論

1）曲軸平衡塊均勻布置會降低主軸承座的敲擊能量，解決主軸承座的異響問題。在設(shè)計(jì)過程中，要對減小主軸承質(zhì)量及降低噪聲水平進(jìn)行綜合評估。

2）大主軸瓦間隙會導(dǎo)致異響產(chǎn)生，降低駕駛舒適感。將軸瓦間隙控制在合理范圍內(nèi)，可保證駕駛舒適性。