某乘用車加速工況異響診斷分析及控制方法

李盛福，潘宇倩

（1.廣西工業職業技術學院，南寧 530001； 2.柳州工學院，柳州 545616）

引言

隨著汽車的快速發展，汽車的NVH問題愈發受到關注，用戶對汽車的舒適性要求提高[1]。渦輪增壓器技術通過提高渦輪增壓器提高進氣密度,可全面改善發動機的動力性、經濟性和排放指標等性能，同時渦輪增壓器朝著小型化、高速化發展，但其高速旋轉產生的噪聲和高頻振動對汽車舒適性造成很大影響。

根據渦輪增壓器的工作原理（如圖1所示）渦輪增壓器的噪聲大致可分為與轉子動力相關的噪聲和與空氣相關的噪聲。其中轉子動力噪聲 包括轉子不平衡嘯叫、油膜渦旋振蕩產生的亞同步噪聲、高階次噪聲、軸承磨損噪聲、廢氣旁通閥金屬敲擊噪聲等；空氣動力噪聲包括脈動嘯叫、BPF噪聲、Whoosh噪聲、Whining噪聲和Buzz-Saw噪聲[2]。S Wang等通過設計消聲器來降低渦輪增壓器的同步脈沖噪聲[3]。Moritz J等深入研究了進氣擾動條件對渦輪增壓器輻射噪聲的影響[4]。韋玲玲等通過控制系統軟件硬件匹配改善了增壓器電子泄壓閥噪聲[5]。李偉等通過增大流道喉舌與渦輪進口距離、增加渦輪葉片等改善渦輪BPF噪聲[6]。楊景玲通過在執行器入口處增加了一個穩壓腔解決了渦輪增壓器的嗒嗒聲[7]。

圖1 渦輪增壓器工作原理圖

本文針對某乘用車大油門加速工況前艙傳來的氣流沖擊聲及敲擊聲，采用主觀評價、聲源定位、傳遞路徑法等方法鎖定聲源，并針對問題點提出了優化方案，有效的解決大油門加速工況異響問題。

1 加速工況異響問題定義與分析

搭載N15T+CVT/MT的某平臺車型在進行NVH主觀評價時，發現在中大油門加速時，在2 000 rpm左右前艙傳來氣流沖擊聲，并伴隨金屬敲擊聲。

針對提出的大油門加速工況異響問題，因在MT和CVT的車上均出現該問題且由前艙傳來，初步分析該問題與發動機相關，為鎖定問題的原因，測試某車型乘用車在全油門加速工況下的駕駛員右耳、發動機近場噪聲，駕駛員右耳處坎貝爾圖如圖2所示。查看分析實車加速工況下的駕駛員右耳處的坎貝爾圖，發現在2 000 rpm左右存在較寬頻帶（頻帶為7 000 Hz以內）的異常噪聲，見圖2的白框部分，通過對聲音進行回放分析，確認與主觀評價時聽到的氣流聲一致。

由上可知，氣流聲的產生與發動機轉速相關，頻帶較寬，且從前艙傳遞過來，在變速箱、中冷管、增壓器、空濾上布置振動傳感器及近場麥克風，并布置聲學相機同步采集，在NVH四驅轉鼓實驗室中進行全油門加速工況測試。通過聲學相機的測試結果發現在2 000 rpm左右，渦輪增壓器的聲源噪聲較大，在渦增壓器上的振動坎貝爾圖發現2 000 rpm左右的寬頻振動現象（如圖3所示），通過在執行器上布置振動傳感器發現搖臂在2 000 rpm左右位移最大（如圖4所示）。

圖4 廢氣旁通閥執行器搖臂位移

為進一步鎖定問題部件，設計了兩個驗證方案，分別為：①在廢氣旁通閥執行器上加200 g配重；②在廢氣旁通閥執行器推桿與搖臂之間加墊片（方案圖如圖5所示）。結果如圖6所示，設計的兩個方案皆有效果，在2 000 rpm左右的寬頻噪聲能量降低，主觀評價有改善。

圖5 驗證方案圖

圖6 驗證方案結果

增壓器執行器的結構和工作原理分別如圖7和圖8所示，它是由控制氣室、推桿、廢氣旁通閥門等組成的，其中的控制氣室是核心部件，它是由膜片和彈簧組成的一個氣動缸，一端與增壓器的壓氣機相連接，膜片上方的壓力就等于壓氣機中的壓力，另一端與廢氣旁通閥相連接。當壓氣機中的增壓壓力超過預定值時，氣壓推動膜片壓縮彈簧，使推桿向外推出，將廢氣旁通閥門打開，引導部分廢氣不再經過渦輪，而是從安裝在渦輪之前的旁通閥直接進入排氣管，這樣就可以減少推動渦輪轉動的廢氣的數量和壓力，進而降低渦輪轉速，降低增壓壓力，避免發動機由于“過增壓”而導致的飛車現象。當壓氣機壓力降低到一定值時，膜片上方的壓力不足以克服彈簧的彈力，彈簧就會彈回，帶動連桿運動關閉旁通閥，廢氣又全部推動渦輪運轉，增壓壓力重新增高，直到下一次旁通閥開啟。就這樣循環進行，發動機的增壓壓力就被控制在一個固定的數值[8]。

圖7 增壓器執行器結構圖

圖8 增壓器執行器工作原理圖

結合測試結果與增壓器執行器的結構和工作原理可得，在急加速工況下，2 000 rpm時存在寬頻的氣流聲，在渦輪增壓器急劇增扭時存在排氣沖擊閥體的聲音，綜合結果為此寬頻噪聲由排氣流體摩擦沖擊引起；在加速過程中廢氣旁通閥從關閉到完全開啟時，在增壓器排氣壓力脈動（Pq和Pm）[9]的作用下，氣體沖擊廢氣旁通閥產生氣流聲；旁通閥執行拉桿受此作用力產生振動，撞擊搖臂，產生rattle聲，從而傳到車內。

2 方案整改與驗證

依據以上的原因，結合整車NVH開發的經驗，制定初步的整改方向：①優化執行器推桿與搖臂之間的間隙；②在搖臂和閥體之間增加彈性墊片。

2.1 優化執行器推桿與搖臂之間的間隙

在大油門加速工況，渦輪增壓器介入時，受排氣壓力作用，推桿動作，其與搖臂之間存在間隙，若間隙過大則會產生敲擊，查看該零件圖紙的原設計值為（0.3～0.5）mm，制作系列間隙梯度的樣件（如表1所示）在整車上進行主、客觀評價及測試，結合工藝與評價結果，確定最優間隙，其測試結果如圖9所示，2 000 rpm左右能量明顯減弱，主觀評價可接受。

表1 執行器推桿與搖臂之間的間隙與主觀評價結果

圖9 優化執行器推桿與搖臂之間的間隙測試結果

2.2 在搖臂和閥體之間增加彈性墊片

在大油門加速工況，渦輪增壓器閥體受脈動氣體沖擊，其與搖臂之間存在間隙，會產生敲擊。在閥體與搖臂之間增加彈性墊片，減小其間隙，方案如圖10所示，測試結果如圖11所示。從結果來看，2 000 rpm左右的寬頻噪聲完全消失，主觀評價接受。

圖10 搖臂和閥體之間增加彈性墊片方案圖

圖11 搖臂和閥體之間增加彈性墊片測試結果

3 結束語

針對某乘用車中大油門加速工況異響噪聲問題，綜合運用主觀評價、聲源定位以及頻譜分析等技術，確定了問題的主要原因：車內2 000 rpm左右的氣流聲和敲擊聲由渦輪增壓器排氣流體摩擦沖擊引起，氣體沖擊廢氣旁通閥產生氣流聲；旁通閥執行拉桿受此作用力產生振動，撞擊搖臂，產生rattle聲。根據產生機理制定兩種改善方案，分別為優化執行器推桿與搖臂之間的間隙、在搖臂和閥座之間增加彈簧墊片。針對兩種方案，分別進行整車測試評估，量化兩種方案的改善效果。從對比中可看出在搖臂和閥座之間增加彈簧墊片效果最好，消除了氣流聲和敲擊聲，大大提高了整車的聲品質。