發動機附件傳動系統異響診斷及其優化方案

關鍵詞：汽車發動機；附件傳動系統；張緊器；異響；頻譜分析

0 前言

近年來，消費者對降低汽車振動噪聲的要求越來越高，這對傳統動力燃油汽車的噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）性能提出了更高的要求。在傳統動力燃油汽車開發過程中，除了考慮動力性、燃油經濟性和環保要求外，NVH 要求也逐漸作成為整車性能的重要指標［1］。

發動機附件傳動系統常見的NVH 問題主要有打滑異響、對齊度異響、皮帶拍打異響及軸承異響等。本文研究的發動機附件傳動系統NVH 問題，主要是研究發動機附件傳動系統中的關鍵零件——附件張緊器，在車輛加速過程中出現“噠噠”異響問題。因此，研究采用發動機附件傳動系統異響噪聲源排查方法，分析從激勵、傳遞路徑和響應3個方面消除異響方案的可行性，提出將鋼帶輪改為塑料帶輪的優化方案。

1 問題描述

某燃油汽車在行駛加速過程中，發動機在轉速1 500～3 000 r/min 時前艙存在“噠噠”異響。根據多批次、多人次車輛試駕主觀評價，發現“噠噠”異響只存在車輛中等油門及上油門加速工況下，穩態工況和小油門工況時不存在“噠噠”異響問題。

對從駕駛室測得的“噠噠”異響進行頻譜分析，判斷異響為低頻噪聲，主要集中在200～600 Hz 頻段，且為間斷性非持續異響，其頻譜如圖1 所示。當發動機轉速為2 500 r/min 時，對“噠噠”異響進行階次分析（異響階次= 異響時間間隔/發動機轉速），結果如圖2 所示。根據圖2 顯示的異響實測數據，可以初步得到發動機的異響階次為0.5，即表示發動機每旋轉2 周產生1 次異響。

2 異響位置確認

由于異響只在車輛加速運行時出現，出于安全原因，確認異響位置較為困難。發動機異響源的測試分析過程如圖3 所示。測試分析過程步驟如下：① 根據“噠噠”異響階次為0.5 的情況，重點排查發動機配氣系統和缸內系統，但都未發現異常；② 通過前艙發動機6 個面上布置傳感器，同時在坑道的舉升機上運行車輛時進行主觀評估，根據振動數據和主觀評估，判定噪聲來自發動機前端輪系；③ 將附件皮帶拆除，“噠噠”異響消失，因此確認異響為來自發動機前端；④ 根據發動機附件傳動系統布置圖（如圖4 所示），在附件輪系上所有零件布置傳感器，最終將異響噪聲源鎖定為附件張緊器。

3 異響源解析

附件張緊器的主要功能是保證車輛在全壽命周期內提供恒定的皮帶張力，維持各附件，如發電機、水泵和空壓機等的正常運轉［2］。張緊器通過附件皮帶與發動機曲軸帶輪連接。由于發動機點火時，燃燒氣體產生的能量對活塞沖擊非常明顯，從而引起發動機帶輪轉動時的不均性［3］，也會通過皮帶引起附件張緊器劇烈擺動。

針對本文發動機“噠噠”異響只出現在加速工況，在該工況下測量張緊器某擺臂處的加速度，結果如圖5 所示。從圖5 可以看出：振動能量主要出現在200～600 Hz，與駕駛室內測到的“ 噠噠”異響頻率吻合。

4 異響問題解決方案

NVH 問題的解決方法通常為降低激勵、切斷傳遞路徑和降低響應［4］。針對本方案，采用具體方案為降低曲軸皮帶輪角加速度、去掉皮帶或車輛增加NVH 包裹，以及降低附件張緊器的振動加速度。

4. 1 降低曲軸帶輪角加速度

根據動力學分析可知，曲軸帶輪角加速度主要與發動機燃燒爆發壓力和曲軸系統旋轉慣量有關，而發動機燃燒爆發壓力與點火提前角也息息相關［5-6］。由于發動機設計已成型，無法改變曲軸系統旋轉慣量，改變點火提前角以驗證其對曲軸帶輪角加速度的影響，如圖6 所示。

從圖6 可以看出：通過調整點火提前角確實能降低曲軸帶輪角加速度，進而消除“ 噠噠”異響問題。但是通過對整車駕駛性評估，發現整車加速性能有所降低，不滿足整車加速性要求，所以此方案不可取。

4. 2 去掉皮帶或車輛增加NVH 包裹

張緊器激勵來源和噪聲傳遞路徑如圖7 所示。從傳遞路徑方向來看，曲軸帶輪可通過附件皮帶將曲軸激勵傳遞到附件張緊器上。

對于降低曲軸帶輪到張緊器的激勵，理論上可以通過改變傳遞路徑上的零件剛度來實現。改變傳遞路徑上剛性可調的零件主要有附件皮帶和附件張緊器的減振輪。附件皮帶對剛度影響較大的結構為線繩部分，附件皮帶線繩主要有聚酯和阿拉米線繩2種類型。針對本案例分別使用2 種類型附件皮帶，整車上“噠噠”異響依然存在，NVH 問題并未改善。

通過調整發電機減振輪上的彈簧剛度，整車上“噠噠”異響也同樣沒有改變。因此，從傳遞路徑角度進行優化，無法解決“噠噠”異響問題。

4. 3 降低附件張緊器的振動加速度

附件張緊器作為“噠噠”異響的源頭，降低其噪聲振動是最直接有效的方法。附件張緊器也是附件傳動系統的關鍵零件，為了保證合理的張力和衰減抖動能量，其內部結構比較復雜，由十幾個子零件組成，如圖8 所示。

為了降低張緊器響應，提高張緊器的模態可以降低振動加速度。由于張緊器結構復雜且整個附件傳動系統中零件較多，如有橡膠類零件——附件皮帶存在，整個系統為非剛性系統，現有計算機輔助工程（CAE）手段無法準確預測附件張緊器實際工作位置時的模態。為了得到接近真實附件張緊器的工作模態，通過敲擊試驗法進行研究，結果如圖9 所示。

由圖9 可以看出：鋼帶輪附件張緊器的第1 階次模態都落在“噠噠”異響頻率范圍之內。由于張緊器的模態較低，在整車加速時，曲軸通過附件皮帶很容易將附件張緊器前幾階次模態激起，從而產生異響。根據模態分析理論，提高剛度或降低質量都可以提高模態。為了降低附件張緊器的模態，筆者將張緊器的帶輪由鋼帶輪改為塑料帶輪，附件張緊器上擺臂質量由220 g 減少到90 g。通過敲擊試驗法，可以發現附件張緊器的振動模態有顯著提高。由圖9 還可以看出：采用塑料輪的附件張緊器的模態比原方案的模態有顯著提高，且出現“噠噠”異響頻率的階次減少。

將塑料輪附件張緊器裝配到整車上，同樣采用實測張緊器振動加速度和主觀評估。整車上實測的振動張緊器振動加速度如圖10 所示。由圖10 可以看出：將鋼帶輪附件張緊器更換為塑料帶輪附件張緊器后，附件張緊器的振動加速度顯著降低；NVH 噪聲主觀評估加速時駕駛室的“噠噠”異響完全消失，滿足了整車NVH 要求。

5 結論

本文針對車輛在行駛加速過程中，發動機轉速為1 500～3 000 r/min 時前艙存在“噠噠”異響的問題，通過頻譜分析法分析了該異響的特征，同時結合發動機工作方式確定了噪聲源的具體位置；從激勵源、傳遞路徑和激勵響應這3 個方面分析評估對異響問題的影響，提出了優化措施。通過研究得出如下結論：

（1） 通過調整發動機點火提前角可以降低曲軸的角振動，進而降低異響水平，但對整車加速響應會有損失。

（2） 通過提高發動機附件張緊器的振動模態，可以降低附件張緊器的振動加速度，進而消除發動機的“噠噠”異響。