基于角度域分析的某四缸機異響排查及改進

邢維者，陳寒霜，田子龍，任 超，徐仰匯

（廣州汽車集團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2.6億輛。人們在購車時除了關注外造型、經濟性、內飾及動力性之外，對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高低的重要指標之一[1]，中消協發布的《2019年全國消協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，總量達到34 335件，占比消費者總投訴的42%，同比增長 25.1%，其中，發動機、變速器為主要投訴部件。相比于變速器，消費者對發動機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，都會尋求售后的幫助。因此，整車 NVH性能已成為各大主機廠的重點提升方向之一[2]。

發動機都在朝著低摩擦、高性能的方向發展[3]。在提升發動機各項指標參數的同時，還應該要兼顧發動機 NVH性能。尤其是發動機異響方面的問題，對零部件之間的間隙控制有了更高的要求。

十幾年前，測試設備及軟件功能較為簡單，對于發動機內部敲擊異響問題，通常只能通過更換零部件進行排查。近年來隨著工程經驗的積累和設備功能的完善，噪聲源的識別方法越來越豐富。通常來說，發動機 NVH問題都是以轉速及時間為單位進行分析。隨著發動機NVH性能研發的深入，傳統的FFT分析方式已經不能滿足發動機NVH問題點的排查及優化。角度域分析方法，以發動機工作周期為單位進行數據分析，通過對數據進行角度域轉換，可以將發動機振動及噪聲信號與發動機工作相位建立聯系，有利于尋找出異常信號發生的規律及原因，從而快速鎖定問題根源。因此，角度域分析法在發動機 NVH問題點的排查和優化中的應用越來越廣泛。

某自主研發的1.3 L四缸發動機熱機怠速工況存在“噠噠聲”異響，并且現象不穩定，冷機無此問題。發動機近場噪聲時域測試數據如圖1所示，在42 s及55 s時，發動機出現噠噠聲。

圖1 怠速工況發動機近場噪聲

取一秒鐘的數據進行分析，如圖2所示，結果表明，一秒鐘內發動機出現了6次敲擊聲。對應該轉速下（700 rpm）可得，發動機每轉兩圈，噠噠聲出現一次。

本文對該四缸發動機內部敲擊產生的噠噠聲問題展開研究，結合發動機電控信號，測試時將發動機相位信號與發動機振動噪聲信號同時進行采集。運用角度域分析方法，對發動機內部敲擊時刻進行分析，鎖定敲擊時刻及敲擊位置。對敲擊位置進行局部優化，以消除發動機噠噠聲。

1 測試及角度域分析結果

發動機在工作時，曲軸位置傳感器及凸輪軸位置傳感器監測配氣相位機構所處的位置，這些位置信息傳達到 ECU（發動機控制單元），從而確定各氣缸的噴油量及點火時刻[4]。可以將振動噪聲信號與相應的曲軸位置信號、凸輪軸位置信號或者點火信號同時采集，建立起發動機振動噪聲信號與發動機配氣機構位置之間的聯系[5]。

同時采集噪聲信號、一缸點火信號及曲軸位置齒圈信號，截取一秒鐘的時域數據（圖 3）。四沖程四缸發動機工作一個周期曲軸旋轉 720°CA，選取一缸壓縮上止點作為零參考點，對數據進行角度域分析（圖 4）。結果表明，怠速工況下，一秒鐘發動機一秒鐘工作了六個周期，噠噠聲出現六次，即發動機每工作一個周期噠噠聲出現一次。

圖3 時域數據測試結果

圖4 近場噪聲角度域分析結果

選取一個周期數據進行分析，如圖5所示。結果表明，噠噠聲出現在一缸壓縮上止點后200°CA的時刻。

圖5 一個周期近場噪聲角度域數據

2 異響源排查及試驗驗證

為進一步分析異響源位置，在發動機本體上進行振動測試，測試結果如圖6所示。缸體振動數據存在與噠噠聲出現時刻相同的振動信號，因此可以確定發動機噠噠聲來源于缸體內部的機構。

圖6 缸體振動信號與近場噪聲信號對比

該款發動機工作過程中的點火順序為一、三、四、二，各缸工作過程如圖7所示。結合角度域分析結果，噠噠聲出現時刻為一缸壓縮上止點后 200°CA，此時三缸處于做功狀態，因此初步判斷敲擊位置來源于三缸的活塞連桿總成。

圖7 發動機工作過程

缸體內部主要包含曲軸、連桿、活塞及活塞銷等[6]。產生敲擊的位置主要為零部件之間存在間隙的區域。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，需要重點排查這幾個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行對調。測試結果如圖8所示，結果顯示，噠噠聲出現時刻變為380°CA，與原狀態相比，轉移了180°CA，此時的敲擊時刻為四缸做功行程。據此確定，噠噠聲敲擊與三缸的活塞連桿總成有關。

圖8 對調三、四缸活塞連桿總成的近場噪聲測試結果

3 異響源分析及改進方案

將第三、四缸的活塞連桿總成拆解進行測量。結果顯示，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計范圍之內。但對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

結合測試結果，對敲擊位置進行分析。敲擊時刻為三缸做功行程，當活塞壓縮混合氣時，受到混合氣壓力的影響，連桿小頭下側頂著活塞銷，活塞上行，如圖 10（a）。當混合氣被點燃，氣缸內壓力急劇增大。此時活塞下行，連桿與活塞銷之間的位置發生改變，由于活塞銷與連桿小頭之間存在一定間隙，從而產生了敲擊，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間隙進行控制，會導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行改進。通過在連桿小頭上加工儲油槽，如圖11所示。發動機在工作時，可以將一定量的機油存儲在連桿小頭中，使得連桿小頭與活塞銷之間有充足的機油。在氣缸的做功行程，充足的機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 連桿小頭改進方案

對改進后的連桿進行試驗驗證（圖12），主觀評價噠噠聲消除。測試結果顯示，200°CA附近的噠噠聲異響已經消除。

圖12 工況鎖扣X向剛度位移云圖

圖12 改進后發動機近場噪聲測試結果

4 總結與展望

本研究以某四缸發動機內部敲擊產生的噠噠聲問題點作為案例，介紹了角度域分析方法在發動機異響排查中的應用優勢。通過測試發動機相位信號，將測試數據進行角度域轉換，對發動機內部敲擊時刻進行分析。結果表明，在第三缸做功時，連桿小頭與活塞銷之間產生敲擊。通過優化連桿小頭與活塞銷之間的油膜間隙，消除了發動機噠噠聲。

利用角度域分析的方法，以發動機工作周期為單位，將發動機相位與振動噪聲問題建立起關聯，有利于尋找出異常信號發生的規律及原因，從而快速的鎖定問題根源。