發(fā)動機(jī)凸輪軸嘯叫異響的消除研究

柏曉峰 夏承睿 吳勤

摘要：本文針對發(fā)動機(jī)凸輪軸嘯叫異響課題，通過調(diào)整Adcole測量設(shè)備工作參數(shù)快速形成凸輪軸振紋圖形，對零件進(jìn)行對比判斷，找出了異響的原因，并優(yōu)化凸輪軸磨削參數(shù)，消除表面振紋，徹底解決嘯叫異響。

Abstract： This paper aims at the problem of engine camshaft squealing and abnormal noise，rapid formation of camshaft vibration pattern by adjusting Adcole equipment parameters，compare and judge the parts，find out the cause of the abnormal noise.The grinding parameters of camshaft are optimized，eliminate surface chatter，eliminate abnormal noise completely.

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);凸輪軸;振紋;嘯叫

Key words： engine;camshaft;surface chatter;squealing and abnormal noise

中圖分類號：TK407? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0051-02

0? 引言

近年來，消費(fèi)者對汽車商品性要求逐步提高，根據(jù)J.DPower調(diào)查報(bào)告表明，各種聲音抱怨占到車輛整體抱怨的10%左右，異響聲的質(zhì)量抱怨越來越成為用戶關(guān)注的重點(diǎn)[4]，很多汽車生產(chǎn)廠商專門建立NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度的英文縮寫）實(shí)驗(yàn)室研究降低汽車NVH值;NVH特性的研究是找出對乘坐舒適性影響最大的因素，通過改善激勵源振動狀況或控制激勵源振動噪聲向車室內(nèi)的傳遞來提高乘坐舒適性。發(fā)動機(jī)是車輛噪聲的主要激勵源，受限于零部件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及現(xiàn)有加工工藝水平，消除異響聲成為技術(shù)人員面臨的技術(shù)難題[4]。凸輪軸是發(fā)動機(jī)重要零部件，它控制發(fā)動機(jī)的氣門開啟/關(guān)閉，凸輪表面質(zhì)量狀況直接影響發(fā)動機(jī)異響嘯叫。行業(yè)內(nèi)對凸輪軸采用Adcole設(shè)備傅里葉測量法判斷振紋，但是哪些諧波范圍的振幅是棱面，哪些諧波范圍的振幅是顫痕，臨界值是多少等需要通過大量的實(shí)際測試取得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]，是無法直接套用同行的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值。本文就凸輪軸嘯叫異響，利用現(xiàn)有Adcole設(shè)備，優(yōu)化測量參數(shù)，采用對比法，快速確定異響原因，為制定對策提供依據(jù)，很好地解決了該課題。

1? 問題點(diǎn)描述

在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)臺點(diǎn)火發(fā)動機(jī)時，發(fā)現(xiàn)有類似吹口哨時的清脆“噓噓……”嘯叫聲，經(jīng)聽診器確認(rèn)嘯叫聲源為凸輪軸部位，具體現(xiàn)象：發(fā)動機(jī)怠速工況下，工作正常，加速后松油門瞬間，嘯叫明顯。發(fā)動機(jī)異響標(biāo)志發(fā)動機(jī)在該工況時，某一機(jī)構(gòu)的狀態(tài)發(fā)生變化[2]，凸輪軸嘯叫異響的出現(xiàn)，正說明凸輪軸狀態(tài)發(fā)生變化。調(diào)換凸輪軸，嘯叫異響聲音與凸輪軸有跟隨性，需要重點(diǎn)調(diào)查凸輪軸。

嘯叫異響的發(fā)動機(jī)需要拆解氣缸蓋更換凸輪軸，再上點(diǎn)火試驗(yàn)臺確認(rèn)嘯叫異響情況，返修工作量大，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)生產(chǎn)效率。

2? 凸輪軸相關(guān)調(diào)查

對凸輪軸進(jìn)行調(diào)查、測量，如下：

2.1 單品尺寸調(diào)查

對異響凸輪的軸頸直徑、圓度、圓柱度、凸輪型線、粗糙度、凸輪軸止推面軸向距離等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行調(diào)查確認(rèn)，尺寸未發(fā)現(xiàn)異常。

2.2 粗糙度極限件裝機(jī)驗(yàn)證

測量凸輪軸凸輪粗糙度，規(guī)格Ra0.32，選擇粗糙度上限件裝機(jī)，異響出現(xiàn)無規(guī)律。異響與凸輪粗糙度無相關(guān)性。

2.3 異響凸輪軸磨削修砂輪相關(guān)性調(diào)查

出現(xiàn)異響凸輪軸的生產(chǎn)批次，反查磨削是否修砂輪首末件，異響凸輪軸與修砂輪無對應(yīng)關(guān)系。

2.4 對比分析法調(diào)查

取異響凸輪軸/正常凸輪軸，進(jìn)行對比調(diào)查。調(diào)整Adcole設(shè)備參數(shù)UPR值及圖形放大倍率，分別按照50UPR、100UPR、150UPR、200URP參數(shù)下，放大10000倍、8000倍、5000倍、3000倍、2000倍、1500倍，對比異響/正常凸輪軸圖形，發(fā)現(xiàn)異響的凸輪軸按照150UPR＼圖形放大3000倍打印圖形會有明顯連續(xù)波紋，最大波峰0.4um，如圖1，燈光照射下目視可以確定凸輪軸表面有振紋。

為進(jìn)一步驗(yàn)證Adcole測量圖形有波紋裝發(fā)動機(jī)是否異響，安排測量若干數(shù)量凸輪軸，將Adcole在150UPR、放大3000倍條件下，圖形出現(xiàn)連續(xù)波紋的凸輪軸安排裝機(jī)驗(yàn)證，異響能再現(xiàn)。凸輪軸表面振紋是異響的原因。

3? 嘯叫異響原理

發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)主要由凸輪軸、搖臂、液壓挺柱、氣門、彈簧等零部件組成;在配氣機(jī)構(gòu)中，凸輪與搖臂之間的摩擦振動、氣門的不規(guī)則、搖臂撞擊氣門尾部以及氣門落座時的沖擊均會產(chǎn)生噪音[4]。它采用頂置式布置，位于氣缸蓋上，凸輪軸的凸輪直接驅(qū)動氣門省去了一大套如挺桿、推桿等往復(fù)運(yùn)動的部件，它結(jié)構(gòu)簡單、慣性小，但凸輪軸在氣缸蓋上拆裝較為麻煩，同時對凸輪軸的尺寸及表面質(zhì)量要求較高，它的結(jié)構(gòu)如圖2。

凸輪軸凸輪與搖臂接觸，搖臂左側(cè)壓緊氣門，右側(cè)壓緊液壓挺柱，工作時，凸輪軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪桃尖壓緊搖臂，搖臂下壓氣門，此時氣門完全打開，凸輪軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪基圓壓緊搖臂，氣門在彈簧力作用下回彈，此時，氣門完全關(guān)閉。液壓挺柱時刻與氣門、彈簧形成相互杠桿作用。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)圖，可以將它簡化成如圖3的原理示意圖。

從模型可知，凸輪軸凸輪部位表面有振紋，相當(dāng)于皮帶上有規(guī)律性的“小凸臺”，皮帶輪轉(zhuǎn)動時“小凸臺”與重物M的接觸會發(fā)生規(guī)律性的振動，激勵源振動就這樣產(chǎn)生，激勵振動在特定的頻率下即為嘯叫異響。發(fā)動機(jī)加速時噪音增大難以發(fā)現(xiàn)嘯叫異響，當(dāng)松油門時發(fā)動機(jī)噪音瞬間降低，此時激勵振動的嘯叫異響被清晰聽到。

4? 解決措施

解決嘯叫異響的有效辦法就是要消除特定頻率的產(chǎn)生，比如采用拋光凸輪、優(yōu)化砂輪磨削參數(shù)等方法。根據(jù)相關(guān)資料可知，Adcole設(shè)置參數(shù)UPR150屬于顫痕[1]，凸輪軸表面產(chǎn)生振紋原因是多種的，可以從砂輪選型、砂輪平衡性、砂輪修整頻率、機(jī)床絲桿傳動穩(wěn)定性、凸輪軸輪廓數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析[3]，凸輪軸在磨削時的振動會在零件表面形成振紋，所以要提高產(chǎn)品質(zhì)量，就必須控制磨削過程中振動帶來的振紋，振動可能的原因是砂輪磨削過程中鈍化，導(dǎo)致磨削力增加，磨粒從粘結(jié)劑中脫落引起砂輪磨損，脫落的磨粒擠進(jìn)砂輪砂?？障吨卸股拜啿痪鶆虻哪p，引起磨力變化，出現(xiàn)振紋，通常需要調(diào)整設(shè)備參數(shù)或砂輪型號[5]。鑒于生產(chǎn)設(shè)備除了生產(chǎn)該型凸輪軸還生產(chǎn)其他產(chǎn)品，但其他產(chǎn)品沒有振紋，排除硬件問題，重點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化磨削參數(shù)：①分別對砂輪的修整量進(jìn)行調(diào)整，原修整量0.004mm/次，調(diào)整后0.005mm/次，使得砂輪修整量增多，砂輪表面更加鋒利，有利于改善砂輪切削受力;②砂輪為CBN材質(zhì)，直徑350mm，砂輪說明書顯示砂輪線速度最大可達(dá)120m/s，同類產(chǎn)品磨床砂輪線速度一般設(shè)置90m/s，為了保證加工節(jié)拍，原磨床的加工參數(shù)設(shè)置砂輪恒線速度110m/s，將線速度調(diào)為90m/s;同時為了彌補(bǔ)節(jié)拍損失，優(yōu)化磨削砂輪快進(jìn)點(diǎn)距離，根據(jù)磨削之前工序凸輪軸跳動最大1.8mm，原快進(jìn)點(diǎn)距離設(shè)置為3mm，優(yōu)化為2.6mm，抵消砂輪線速度降低的節(jié)拍損失。

通過調(diào)整砂輪線速度、砂輪修整量，驗(yàn)證20件，發(fā)現(xiàn)凸輪表面振紋有明顯改善，但未消除，Adcole的振紋圖形還有波紋狀，如圖4。

為消除凸輪部位振紋對拋光設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，原拋光帶60um粒度、拋光15s，為了消除振紋，分別驗(yàn)證60um/40um粒度拋光帶，按照拋光時間20s、25s、30s、35s進(jìn)行，同時，結(jié)合磨床修砂輪第1件、第5件、第10件…末件，各條件下的零件分別拋光10件，送Adcole測量凸輪振紋圖形，結(jié)合圖形形狀及生產(chǎn)節(jié)拍的經(jīng)濟(jì)可行性，最終鎖定拋光設(shè)備參數(shù)是采用40um粒度拋光帶、拋光25s。

綜上所述，通過對凸輪加工磨床的砂輪修整量、砂輪線速度及對拋光設(shè)備的拋光帶粒度、延長拋光拋光時間，消除振紋，取得明顯效果。

5? 結(jié)論

對凸輪軸表面振紋，過往快速甄別方法為目視，但此方法屬于人工主觀判斷，容易出現(xiàn)誤判、錯判;若采用Adcole傅里葉測量法又需投入大量人力物力測量凸輪軸進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、分析，準(zhǔn)確確定振紋判斷參數(shù)，時間周期長，不利于快速對應(yīng)車間生產(chǎn)。而采用本文所述的Adcole簡易圖形對比判斷法，能以極低的成本，快速、準(zhǔn)確判斷振紋情況，防止振紋導(dǎo)致發(fā)動機(jī)嘯叫異響，為凸輪軸相關(guān)工作人員提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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