某乘用車怠速充電“咕咕聲”NVH研究與改進

郭彥豆，蒙文瑯，張世珍，黃祥慶

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

汽車是數量最多、普及最廣、活動范圍最廣泛、運輸量最大且最重要的現代化陸地交通工具[1]。汽車按動力裝置分類可分為內燃機汽車和電動汽車，而電動汽車又有一種車型稱為復合式汽車（HEV）[2]。本研究的某乘用車就屬于復合式汽車，動力裝置是由一臺LJM20汽油發動機和一臺電機組成，發動機可向驅動汽車的電機供電外，還可在汽車高負荷運行時，發動機直接參與驅動。某乘用車在怠速充電及0油門蠕行充電等工況時存在明顯動力總成敲擊噪聲（以下簡稱“咕咕聲”），該咕咕聲會極大影響到人們的駕駛性、體驗感，需要解決消除咕咕聲。通過對問題點的排查及改進過程，解決了發動機咕咕聲問題，不僅使提高了人們的駕駛體驗感，也能夠為后續發動機NVH性能開發提供了借鑒。

1 咕咕聲現象問題分析

1.1 整車級別問題調查

對發動機匹配整車進行NVH測試，在駕駛室內存在咕咕聲問題，部分車表現嚴重，部分車表現輕微。使用NVH測試設備對整車進行客觀測試，在發動機怠速1050 r/min，功率分別為5 kW/3 kW/1 kW時的表現，在進行5 kW充電測試時，發動機所發出“咕顯著聲最為嚴重，3 kW/1 kW工況次之，空載咕咕聲可接受。對測試數據進行濾波回放，敲擊噪聲頻帶主要集中在230～330 Hz。

繼續對發動機振動數據分析時，發現發動機第四缸（發動機與耦合器結合面一側）位置Y向振動在230～330 Hz振動最為明顯，聲音回放特征最為清晰（圖1），X為整車前后行駛方向，Y為整車左右方向，Z為整車上下方向，發動機在整車是前置橫置布置（圖2），即Y向為發動機曲軸軸向方向。針對第四缸Y向信號做230～330 Hz濾波后發現敲擊間隔約為0.114 s，對應四缸機1050 r/min 0.5階激勵，即1050 r/min下4個缸一個工作循環的時間（1/（1050/60）*2=0.114 s）（圖3），因此，初步判定咕咕聲來源與發動機的軸向振動以及第四缸做功沖程時的激勵響應相關。

圖1 振動測量數據結果（第四缸Y向振動較大且在頻率230～330下表現較大）

圖2 X、Y、Z方向示意圖（Y向為發動機的曲軸軸向）

圖3 濾波圖（突出部分間隔時間與發動機1050 r/min下4個缸一個工作循環的時間一致）

1.2 發動機單機NVH臺架測試

對隨機一臺發動機單機在NVH臺架進行測試數據分析，在發動機轉速1050 r/min、功率5 kW測試后，對第四缸Y向振動數據進行回放分析，敲擊特征極為明顯，敲擊間隔為0.114 s（圖4），對應四缸機轉速1050 r/min、0.5階激勵，與在整車測試時的表現相符。

圖4 濾波圖（與整車測試發生的間隔時間一致）

測試發動機反拖工況下的振動情況，（反拖是指發動機不點火不噴油不作功，由臺架測功機帶動發動機旋轉，分別在轉速1050 r/min，發動機節氣門打開0%及打開100%的工況測量），發動機均無咕咕聲表現，各缸振動無明顯規律（圖5），由此判斷咕咕聲與發動機做功沖程有很大關系。

圖5 反拖工況下第四缸節氣門打開0%和100%的振動情況，振動均無明顯規律

1.3 其他發動機機型測試對比

在發動機轉速1050 r/min、功率5 kW的工況下測量對比發現，其他排量的四缸機均有類似的特征表現（圖6），因幅值大小有所差異，所以有些發動機未識別到該咕咕聲。

圖6 其它機型測試情況，同樣存在一樣間隔時間的敲擊聲

2 方案措施驗證及實施

通過以上調查分析的情況，針對第四缸缸體震動與聲音傳遞規律，采取以下5個方案進行驗證。驗證方案見表1所列。

表1 方案說明

2.1 方案一：更換油底殼

原狀態發動機（沖壓件油底殼）和新狀態發動機（鑄鋁件油底殼）測試結果對比如圖7所示。

圖7 駕駛室內咕咕聲濾波頻率230Hz～330Hz后調質處理（分貝對比）

從測量結果看，新狀態發動機有所改善，整體分貝降了約1 dB。新狀態發動機相對原狀態發動機，油底殼由沖壓件改為鑄鋁件，是為了在油底殼后端上增加安裝孔，使發動機與耦合器增加固定點（圖8），提高了動力總成的一階模態（表2）。

表2 一階模態結果（單位Hz）

圖8 增加固定位置說明

2.2 方案二、方案三、方案四共3個方案驗證對比

按油底殼更改的方向，對以下零件進行更改驗證。以下方案測試，以鑄鋁件油底殼發動機為基礎狀態進行驗證，測量原地怠速1050 r/min，功率3 kW下的咕咕聲（該工況在整車較容易進行測試），通過對測試數據在頻率230 Hz～330 Hz范圍內濾波，以聲音分貝大小進行評判。

2.2.1 方案二：進氣歧管模態提升

在以下位置增加兩個支架固定進氣歧管與缸體的連接，如圖9所示。

圖9 進氣歧管增加固定點方案

增加兩個支架固定后，進氣歧管一階模態增加約40 Hz（表3）。

2.2.2 方案三：增加發動機與耦合器的連接固定點

1980年9月，改革開放初期，市面上各種現代化的商品讓人眼花繚亂。一天，我高中時期的一位同學將他親戚從香港帶來的一卷135彩色膠卷交給我，讓我幫他拍攝全家福，出于職業習慣，我敏銳感覺到這卷膠卷非同一般。此前，我一直用的是公元牌黑白膠卷和幻燈色盲片，這是我平生第一次見到彩色膠卷，還是進口的“柯達”彩色膠卷。

在發動機與耦合器以下位置增加固定點連接，如圖10所示。

圖10 發動機與耦合器增加固定點連接

增加后，動力總成一階模態增加約7 Hz（耦合器配置不一樣，一階模態提升程度也不一樣）。結果見表4。

表4 動力總成優化方案一階模態結果（單位Hz）

2.2.3 方案四：提升缸體模態

通過進氣歧管驗證結果可知，提高模態可改善咕咕聲問題，而缸體較容易更改實施。更改如下（圖11）。

圖11 缸體方案（圈處為增加部分）

（1）缸體外側增加加強筋；

（2）主軸承座增加連接板；

優化后缸體一階模態增加約66 Hz。結果見表5。

表5 缸體優化方案一階模態結果（單位Hz）

2.2.4 方案驗證

圖12 測試結果(上圖為基礎狀態、下圖為優化后狀態)

測試結果顏色越鮮艷、聲音幅值范圍越廣，代表效果更差、聲音更大，反正則有改善。從測試結果看，更改前后聲音幅值基本一致，聲音更大，改善不大。

2.3 方案五：發動機標定參數調整（排氣VVT角度）

發動機可變配氣機構（VVT）的種類較多，包括可變氣門正時、可變氣門升程、可變進氣延續時間或其符合形式等。可變配氣機構可以是內燃機在不同轉速和工況下都能獲得理想的進、排氣效率，在提升扭矩和功率的同時，也提高了油耗水平[3]。本研究的發動機即用到了DVVT技術，即進、排氣都有可變氣門正時系統，使發動機達到了40%以上的熱效率，從而搭載在混動HEV車型上效果更好。

在原定ECU數據排氣VVT角度的基礎上再增加20°，咕咕聲噪音明顯改善，人耳幾乎感覺不到，達到了大家可接受的水準（圖13）。

圖13 排氣VVT角度增加20°測試結果（上圖為基礎狀態、下圖為調整后狀態)

綜合考慮整車動力、油耗及排放，轉速1050 r/min，功率3 kW及5 kW排氣VVT角度增加15°，其他負荷工況過渡調整，調整范圍5°～15°不等。圖14為調整前后的排氣VVT角度預設值，有箭頭一行的角度為調整后的排氣VVT角度，無箭頭一行的角度為調整前的角度。

圖14 排氣VVT角度調整范圍

對于調整后的ECU數據，在整車上測試，咕咕聲改善明顯，人耳幾乎感覺不到，大致一致認可該狀態可接受（圖15）。

圖15 ECU數據排氣VVT角度調整后測試結果（上圖為基礎狀態、下圖為調整后狀態)

2.4 小結

通過以上數據，表明：

（1）咕咕聲特征在四缸機上都存在，可能因為各機型、各零件的差異，咕咕聲問題表現有大有小，有些表現較小或者聽不到從而達到可接受的狀態。因此該咕咕聲可能徹底消除咕咕聲很難，但可通過更改零件模態等方式來抑制咕咕聲，達到大家可接受的狀態。

（2）咕咕聲與發動機負荷相關性強，即發動機在燃燒激勵下某零件響應呈現出了敲擊特征，即也可通過改變發動機標定參數，如改變排氣VVT角度，改變發動機燃燒特性來解決問題。

3 結語

通過使用鑄鋁油底殼的動力總成提升總成模態以及調整發動機ECU數據的排氣VVT角度，解決整車動力總成異響問題。