某1.3 L自然吸氣發(fā)動機機油泵噪聲的改善

周景航 劉宇恒 李政

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

隨著科技的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對于汽車的振動、噪聲及舒適性的要求也越來越高，因此，對內(nèi)燃機的振動和噪聲的研究成為近幾年研究的熱點[1]150。近幾年，計算機輔助工程（CAE）已廣泛應(yīng)用于汽車開發(fā)的全過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，其分析結(jié)果可以指導(dǎo)設(shè)計思路，并且對每一次的設(shè)計嘗試在短時間內(nèi)進行虛擬預(yù)測，以求達到最佳的設(shè)計效果。有限元法是CAE技術(shù)常用分析方法，有限元分析和試驗結(jié)合大大提高了仿真分析的精度，同時縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。文章分析了某款1.3 L自然吸氣汽油發(fā)動機機油泵的轉(zhuǎn)子嚙合高頻嘯叫聲的產(chǎn)生機理，運用CAE和試驗相結(jié)合的方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 機油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲的確認

某1.3 L發(fā)動機的開發(fā)過程中，客戶對發(fā)動機嘯叫噪聲有抱怨。在發(fā)動機松開油門從6 000 r/min下降到怠速過程中，2 500 r/min到5 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，嘯叫會引起部分客戶抱怨。

采用在發(fā)動機噪聲振動半消聲試驗室內(nèi)采集該噪聲信號，主要測試設(shè)備為AVL發(fā)動機測功機和PUMA測試系統(tǒng)，以及LMS振動噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。減速工況下，采集到車內(nèi)噪聲頻譜圖，如圖1所示，橢圓線部分為抱怨噪聲，噪聲階次為15階和30階。階次是旋轉(zhuǎn)機械的屬性，可以理解為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周發(fā)生的次數(shù)。無論主動輪的齒數(shù)大于還是小于從動輪的齒數(shù)，都將使齒輪每轉(zhuǎn)過1個輪齒就產(chǎn)生1次撞擊，即每轉(zhuǎn)1圈撞擊的次數(shù)與主動輪的齒數(shù)相等。

圖1 1.3 L發(fā)動機減速噪聲頻譜圖

由于出現(xiàn)的階次為15階和30階，檢查該發(fā)動機上所有的旋轉(zhuǎn)運動件，只有機油泵的主動輪內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為15個。機油泵轉(zhuǎn)子示意圖，如圖2所示。由于發(fā)動機沒有齒數(shù)為30的部件，因此，30階噪聲是機油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲的諧次。

圖2 機油泵轉(zhuǎn)子示意圖

轉(zhuǎn)子式機油泵主要由內(nèi)外轉(zhuǎn)子、機油泵體及機油泵蓋等零件組成，內(nèi)轉(zhuǎn)子定心環(huán)固定在機油泵泵體上。該發(fā)動機機油泵由曲軸驅(qū)動，曲軸通過兩方曲軸鏈輪驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)子運動。外轉(zhuǎn)子自由地安裝在泵體內(nèi)，并與內(nèi)轉(zhuǎn)子嚙合轉(zhuǎn)動。內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有一定的偏心距。該機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子有15齒，外轉(zhuǎn)子比內(nèi)轉(zhuǎn)子多一個齒，為16齒。工作時，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過與外轉(zhuǎn)子齒形輪廓的嚙合，同方向帶動外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的偏心距，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，吸入端完成真空吸油，容積減少，機油加壓進而吐出。轉(zhuǎn)子式機油泵的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，供油量大而且油壓均勻。

2 機油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲的分析和解決

針對機油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲產(chǎn)生的機理，從3個方面改善該噪聲，下面分別對這3個方面進行分析。

2.1 機油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子嚙合音的優(yōu)化

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在外轉(zhuǎn)子的外周，內(nèi)外轉(zhuǎn)子可以移動的區(qū)域內(nèi)，如果存在齒端干涉，會產(chǎn)生內(nèi)外轉(zhuǎn)子嚙合音。內(nèi)外轉(zhuǎn)子的嚙合示意圖，如圖3所示。

圖3 機油泵轉(zhuǎn)子中心示意圖

引起噪聲抱怨的機油泵，內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒頂間隙是滿足要求的。但是，為了評估該機油泵NVH問題，在還是想使外轉(zhuǎn)子位置更加靠近齒間距離更大的一側(cè)，采用了在油泵轉(zhuǎn)子室內(nèi)壁加槽（如圖4紅線區(qū)域），以擴大內(nèi)外齒端間隙。

圖4 機油泵轉(zhuǎn)子齒端間隙改進說明示意圖

在發(fā)動機振動噪聲半消聲試驗室，對機油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒端間隙改進樣件進行測試，從6 000 r/min下降到怠速，發(fā)現(xiàn)該嘯叫噪聲在15階和30階均沒有明顯改善。因此，內(nèi)外齒端間隙不是該高頻嘯叫噪聲的根本原因。

2.2 機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動鏈輪配合間隙優(yōu)化

機油泵通過安裝在曲軸上的曲軸鏈輪驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)子進而帶動外轉(zhuǎn)子工作。通過吸油、壓油及吐油的循環(huán)工作，為發(fā)動機提供充足的機油流量和油壓。其中，曲軸鏈輪和內(nèi)轉(zhuǎn)子是間隙配合。間隙配合可以方便機油泵的安裝，但鏈輪和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間的間隙在機油泵運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生鏈輪對內(nèi)轉(zhuǎn)子的敲擊，導(dǎo)致機油泵運行的平穩(wěn)性較差。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有噪聲抱怨的零件，鏈輪與內(nèi)轉(zhuǎn)子的間隙為0.4 mm。為驗證鏈輪與內(nèi)轉(zhuǎn)子間隙對該機油泵嚙合噪聲的影響，制作了特殊內(nèi)轉(zhuǎn)子樣件，設(shè)定鏈輪與內(nèi)轉(zhuǎn)子間的間隙為0.1 mm。

在發(fā)動機噪聲振動半消聲試驗室內(nèi)，對改進樣件進行工況測試，發(fā)現(xiàn)該嘯叫噪聲在15階有明顯改善，橢圓斜線部分顏色變淺，噪聲降低；30階改善不明顯。如圖5所示。

圖5 改進后噪聲彩圖（15階噪聲）

2.3 機油泵泵體剛度優(yōu)化

機油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子在工作過程中，不可避免地產(chǎn)生嚙合撞擊。當(dāng)嚙合撞擊的頻率與機油泵系統(tǒng)產(chǎn)生共振時，會激發(fā)出強烈的噪聲。因此，需對機油泵本體進行試驗?zāi)B(tài)分析。

對于多自由度系統(tǒng)，動力學(xué)方程[1-4]可以表示為：

式中：[M]，[C]，[K]——質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

｛q｝——節(jié)點位移向量；

｛F（t）｝——節(jié)點載荷向量。

在求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型時，可不考慮阻尼和外界激勵力，因此式（1）可以簡化為無阻尼自由振動方程，如式（2）所示。

文章采用試驗和分析的方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。機油泵本體的試驗?zāi)B(tài)采用錘擊法，機油泵通過橡皮繩懸掛。傳感器布置，如圖6所示。經(jīng)過模態(tài)試驗數(shù)據(jù)分析，在1 537 Hz為油泵局部模態(tài)，與圖1中30階噪聲所處的頻率相同。

圖6 機油泵殼體模態(tài)試驗布置圖

由于該機油泵與30階噪聲所處頻率相同，因此對機油泵本體進行設(shè)計優(yōu)化時，需避開該頻率。機油泵本體設(shè)計，如圖7所示，將機油泵轉(zhuǎn)子室設(shè)計成圓滑凸型結(jié)構(gòu)，并進行約束結(jié)構(gòu)CAE模態(tài)分析。

圖7 機油泵殼體模態(tài)改進設(shè)計圖

圖8示出改進設(shè)計的機油泵腔體局部模態(tài)圖，頻率為2 504 Hz，對比現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的頻率（2 005 Hz）可知，機油泵腔體處的模態(tài)有大幅提升。

圖8 機油泵殼體局部模態(tài)圖

在發(fā)動機振動噪聲半消聲試驗室內(nèi)，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化樣件進行工況測試，發(fā)現(xiàn)該嘯叫噪聲在30階有明顯改善，橢圓斜線部分顏色變淺，噪聲降低；15階改善不明顯。改進后噪聲彩圖，如圖9所示。

圖9 改進后噪聲彩圖（30階噪聲）

3 結(jié)論

1）機油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒端間隙改進對該機油泵15和30階噪聲無明顯改善，內(nèi)外齒端間隙不是該高頻嘯叫噪聲的根本原因；

2）通過機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動鏈輪配合間隙優(yōu)化，間隙從0.4 mm減小到0.1 mm，該15階嘯叫噪聲有明顯改善，表明機油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動鏈輪配合間隙是影響15階噪聲的主要因素；

3）通過機油泵本體結(jié)構(gòu)改進，原機油泵本體的摸態(tài)頻率有很大提高，避開了30階噪聲頻率，30階嘯叫噪聲有明顯的改善；

4）CAE和試驗相結(jié)合的方法，大大縮短了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時間，提高了CAE仿真精度，使解決問題的時間大為縮短。