某車型發(fā)動機正時系統(tǒng)振動噪音的優(yōu)化

葉風(fēng)旺

(東南(福建)汽車工業(yè)有限公司,福建 福州 350119)

隨著車輛的應(yīng)用普及,人們生活水平的提高,人們對汽車性能的要求除在動力性、經(jīng)濟性、可靠性、安全性方面之外,對車輛的舒適性的要求也越來越高,良好的駕駛操作性能、舒適的駕乘環(huán)境漸漸成為現(xiàn)代汽車的重要標志。NVH(Noise、Vibration、Harshness)已成為人們駕車使用的關(guān)注重點,現(xiàn)車輛NVH 的研究已貫穿在整個汽車新產(chǎn)品的開發(fā)過程,找出影響車輛乘坐舒適性的激勵源,通過改善激勵源振動狀況或控制激勵源振動噪音向車室內(nèi)的傳遞來提高乘坐舒適性。

發(fā)動機是車輛的核心部件,是主要噪聲振動激勵源,正時系統(tǒng)為發(fā)動機的重要組成部分,其振動噪音問題受到廣泛關(guān)注,其NVH 性能對車輛的乘坐舒適性具有重要意義。本文以一款SUV 車型開發(fā)中出現(xiàn)明顯的振動噪音問題為例,使用LMS40通道數(shù)采,采集不同工況下車內(nèi)振動噪音信號,分析為發(fā)動機正時系統(tǒng)的影響,并通過對正時系統(tǒng)傳動鏈的結(jié)構(gòu)分析、從而提出正時系統(tǒng)傳動鏈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,有效地降低了車內(nèi)振動噪音,提升了車輛乘坐的舒適性。

1 故障分析

1.1 主觀評價

在對一款SUV 樣車主觀評價過程中,發(fā)現(xiàn)一種異常噪音：在車輛加速后發(fā)動機轉(zhuǎn)速回落在2500～3000r/min 的工況下,在車內(nèi)能夠感覺到明顯刺耳的嘯叫聲,對耳膜有一定的壓迫感,大幅影響車輛車坐的舒適性。

1.2 樣車振動頻率分析

針對車輛加速的工況下出現(xiàn)的振動噪聲問題,在該工況下進行樣車的正駕、副駕振動噪音信號檢測,正副駕右耳均存在明顯18 階噪聲,其中正駕右耳旁振動噪音信號數(shù)據(jù)見圖1 三維Waterfall Plot 圖譜。

圖1 正駕右耳18 階Waterfall Plot 圖譜

正時系統(tǒng)齒輪嚙合頻率公式[1]：

式中：n- 發(fā)動機轉(zhuǎn)速,r/min；

z- 齒輪齒數(shù)。

該SUV 樣車正時系統(tǒng)的曲軸齒輪為18 齒,根據(jù)上述三維Waterfall Plot 圖譜存在明顯18 階噪聲,及正時系統(tǒng)齒輪嚙合頻率公式,依據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速n、頻率f,可推算齒輪齒數(shù)z 符合正時系統(tǒng)曲軸齒輪的齒數(shù),可以判斷,該SUV 樣車的噪音激勵源應(yīng)為發(fā)動機的正時系統(tǒng)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

噪音的控制必須從激勵源的控制、傳播途徑的控制和接受者保護三方面考慮[1],針對該SUV 車型正時系統(tǒng)鏈傳動的振動噪音問題,其中激勵源噪音控制可從設(shè)計、制造、材料和結(jié)構(gòu)等方面考慮,通過優(yōu)化調(diào)整正時系統(tǒng)張緊力和張緊器位置、及制造工藝、材料的進行確認管控,但優(yōu)化效果有限,擬考慮變更正時系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu),分析如下：

2.1 正時系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)的分類

正時傳動系統(tǒng)一般有三種形式: 皮帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動,對于低功率小扭矩的發(fā)動機,一般選擇皮帶傳動或鏈傳動,鏈傳動噪音會比皮帶傳動大,但皮帶傳動使用后會產(chǎn)生磨損、老化,而鏈傳動基本不需要維護,且結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性與耐磨性高等顯著優(yōu)點,克服了齒輪傳動和皮帶傳動性能上的某些先天不足。

在傳動鏈中,根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,可分為兩種類型,滾子鏈和齒形鏈,齒形鏈工作時傳動平穩(wěn),噪音和振動很小,又稱無聲鏈[2]。

2.2 正時系統(tǒng)鏈傳動的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上正時系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)的分類,該SUV 車型的發(fā)動機的正時系統(tǒng)初始設(shè)計為鏈傳動,且為滾子鏈傳動結(jié)構(gòu),接下來重點分析鏈傳動的滾子鏈、齒形鏈兩種結(jié)構(gòu)及其嚙合特點。

2.2.1 正時滾子鏈的結(jié)構(gòu)及嚙合特點

如圖2,滾子鏈由內(nèi)鏈板1、外鏈板2、銷軸3、套筒4 和滾子5 組成,其中內(nèi)鏈板壓裝在套筒兩端(過盈配合)、外鏈板壓裝在銷軸兩端(過盈配合)并對銷軸頭部進行鉚合,分別稱為內(nèi)鏈節(jié)、外鏈節(jié),內(nèi)外鏈節(jié)構(gòu)成了一對鉸鏈副,滾子與套筒,套筒與銷軸均為間隙配合。

圖2 滾子鏈的結(jié)構(gòu)

當(dāng)滾子鏈在鏈輪上運轉(zhuǎn)時,由于鏈節(jié)是剛性的,鏈條滾子與鏈輪每次嚙合時,多邊形效應(yīng)都使整個一邊鏈條抬升又落下；同時主動輪轉(zhuǎn)過一齒,鏈速度由小變大,由大變小一次；嚙進的滾子開始與鏈輪齒不接觸,然后在一個瞬間突然完全接觸,這種運動特性使?jié)L子鏈的瞬時鏈速和瞬時傳動比都是變化的。當(dāng)鏈節(jié)以一定相對速度與鏈輪嚙合瞬間,將產(chǎn)生沖擊和動載荷,節(jié)距越大、鏈輪轉(zhuǎn)速越高時沖擊也越大[2]。滾子鏈傳動中滾子與輪齒沖擊及其造成的振動是大部分噪音的來源[3]。

2.2.2 正時齒形鏈的結(jié)構(gòu)及嚙合特點

如圖3,齒形鏈由鏈板1、導(dǎo)板2 和銷軸3 組成,其中導(dǎo)板壓裝在銷軸兩端(過盈配合)并對銷軸頭部進行鉚合,銷軸與鏈板孔為間隙配合,這樣銷軸與鏈板構(gòu)成了一對鉸鏈副。

齒形鏈與鏈輪輪齒嚙合時,由于齒形鏈鏈輪齒形為漸開線齒形,漸開線齒形的鏈輪與齒形鏈嚙合是通過鏈輪漸開線齒廓和鏈板工作齒廓嚙合,使其類似于共軛嚙合傳動,因而工作平穩(wěn)[4]。

圖3 齒形鏈的結(jié)構(gòu)

以上結(jié)構(gòu)分析,針對滾子鏈、齒形鏈的兩種鏈傳動結(jié)構(gòu),滾子鏈在嚙合過程中,滾子以幾乎90°的入射角接近鏈輪齒面并與鏈輪齒面發(fā)生沖擊,滾子的旋轉(zhuǎn)能等能量大部分都轉(zhuǎn)化成沖擊時的噪聲能,產(chǎn)生非常強烈的機械沖擊的振動噪音。而齒形鏈的嚙合過程,則鏈節(jié)以幾乎0°的入射角接近鏈輪齒面并與相對齒面產(chǎn)生滑動因而沖擊很小,鏈節(jié)和鏈輪的沖擊能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ聊?轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊噪聲的能量大幅減少,嚙合時沖擊振動噪聲降低,自身產(chǎn)生的聲音也較柔和[5]。且齒形鏈是通過工作鏈板與鏈輪齒的漸開線齒形進行嚙合傳動,具有噪音低、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。另滾子鏈的磨損,它的內(nèi)節(jié)和外節(jié)的實際節(jié)距逐漸不同,外節(jié)節(jié)距變得愈來愈大,從而降低了傳動精度,而齒形鏈各鏈節(jié)因磨損而伸長是均勻的,因此保持有較高的運動精度。

由此可見,齒形鏈具有沖擊振動噪音小、傳動平穩(wěn)、傳動精度高等優(yōu)點,故針對該SUV 車型正時系統(tǒng)鏈傳動的振動噪音問題,選擇優(yōu)化該SUV 車型的鏈輪結(jié)構(gòu),將其正時系統(tǒng)的傳動結(jié)構(gòu)由滾子鏈變更為齒形鏈。

2.3 單品臺架驗證

準備3 臺該SUV 車型發(fā)動機,將其中2 臺正時系統(tǒng)的鏈傳動由滾子鏈更改為齒形鏈,展開發(fā)動機臺架振動噪音比較測試,安裝位置如圖4,試驗結(jié)果XYZ 向的振動能量如圖5 所示。

圖4 單品臺架安裝示意圖

圖5 臺架各向振動能量圖

從圖5 所示加速工況的振動能量圖上看,正時齒形鏈系統(tǒng)發(fā)動機相比滾子鏈系統(tǒng)發(fā)動機,18 階振動X 向降幅最大,效果最明顯,Y 向次之,Z 向降幅最小；齒形鏈系統(tǒng)發(fā)動機相比滾子鏈系統(tǒng)發(fā)動機在XYZ 各方向振動能量均有明顯降幅。

2.4 實車測試分析

分別采用正時滾子鏈發(fā)動機、和優(yōu)化后的正時齒形鏈發(fā)動機的兩部樣車,進行實車主觀評價,正時齒形鏈發(fā)動機已無明顯嘯叫音；同時分別在兩部車的發(fā)動機艙、正駕、副駕、右后席布置LMS40 數(shù)采通道,進行怠速、三檔全油門加速工況下驗證齒輪鏈發(fā)動機對NVH 性能的影響,其中怠速工況下正駕右耳旁前后噪音變化如圖6 所示。

圖6 發(fā)動機正時鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后正駕右耳旁噪音對比

從圖6 可以看出,怠速工況下齒形鏈對車內(nèi)噪音改善明顯,降低10～15dB；全油門加速工況工況下前后噪音變化趨勢基本同怠速工況,齒形鏈對車內(nèi)噪音也改善明顯；且整車NVH 測試齒形鏈,三維Waterfall Plot 圖譜顯示對應(yīng)的正副駕右耳23 階次噪聲并不明顯(齒形鏈的曲軸齒輪為23 齒)。

綜上所述,齒形鏈正時系統(tǒng)發(fā)動機在單品臺架振動能量、樣車的實車主觀評價及客觀振動噪音數(shù)據(jù)比較,均有大幅改善,故該SUV 車型的發(fā)動機正時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由滾子鏈更改為齒形鏈系統(tǒng)的優(yōu)化效果明顯,方案可行并展開實施。

3 結(jié)論

汽車舒適性是與使用者聯(lián)系最為密切的性能,提高乘坐舒適性已成為汽車制造商和使用者追求目標,特別是降低汽車振動噪音更受關(guān)注,良好的汽車舒適性能保證駕駛者的平穩(wěn)情緒、快速的反應(yīng)速度進而保證行車的安全性。通過對SUV 開發(fā)過程中正時鏈振動噪音現(xiàn)象識別、正時鏈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相關(guān)驗證；在發(fā)動機怠速及加速工況下振動噪音是由發(fā)動機正時系統(tǒng)產(chǎn)生的振動激勵源造成的,通過對正時系統(tǒng)鏈傳動的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,大幅降低其造成的振動噪音,有效的提升車輛乘坐的舒適性。因此,在汽車新車型開發(fā)的NVH 驗證過程中,要特別重視正時系統(tǒng)對汽車振動噪聲等方面的影響；在設(shè)計的初期需要充分考慮正時系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu),提前選擇正時鏈的結(jié)構(gòu),避免在新車型開發(fā)后期進行變更而增加時間及成本方面的投入。