某商用車(chē)怠速油底殼異響問(wèn)題分析?

徐小翔 李 超 曾小春 王 毅 陳齊平

(1 江鈴汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院 南昌 330001)

(2 江西省汽車(chē)噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌 330001)

(3 華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌 330013)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)上的薄壁類零件，如油底殼、前端蓋罩、頂部缸蓋罩等均是重要的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射面，其中油底殼尤為明顯，研究表明通過(guò)油底殼輻射的噪聲占總噪聲的比例超過(guò)20%[1-2]。整車(chē)怠速時(shí)，通過(guò)油底殼輻射的噪聲較容易影響整車(chē)聲品質(zhì)，因此研究油底殼的噪聲振動(dòng)一直是行業(yè)內(nèi)較重要的一項(xiàng)工作。

因機(jī)油消耗或初始加注量差異，發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)機(jī)油液位一般在機(jī)油標(biāo)尺的下刻度與上刻度之間的某一位置。機(jī)油液位不同，油底殼模態(tài)頻率會(huì)有差異。文獻(xiàn)[3–5]研究了機(jī)油與油底殼之間的耦合作用對(duì)模態(tài)的影響，耦合模態(tài)頻率隨著機(jī)油量的增加而逐步降低，模態(tài)階數(shù)越高頻率下降趨勢(shì)越大。文獻(xiàn)[6–7]也研究了油液對(duì)油底殼模態(tài)頻率的影響，油液的存在使油底殼振型發(fā)生變化，固有頻率下降。

以往文獻(xiàn)多集中在由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致油底殼的振動(dòng)輻射噪聲優(yōu)化，較少考慮油底殼內(nèi)機(jī)油泵工作激勵(lì)對(duì)油底殼的影響。機(jī)油泵吸油管距離油底殼距離一般僅為7～8 mm，機(jī)油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的運(yùn)動(dòng)部件之一，齒輪式機(jī)油泵在嚙合泵油的過(guò)程中，主動(dòng)齒和被動(dòng)齒不可避免地需要產(chǎn)生擠壓、摩擦、沖擊等，在加速過(guò)程中，容易形成特定階次的振動(dòng)噪聲，而在穩(wěn)態(tài)工況，如怠速，容易形成特定頻率的振動(dòng)噪聲。

本文以某商用車(chē)2.0 T 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼為研究對(duì)象，對(duì)怠速時(shí)由于機(jī)油泵工作激勵(lì)與油底殼模態(tài)頻率耦合產(chǎn)生異響問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

1 機(jī)油泵激勵(lì)頻率與油底殼模態(tài)頻率耦合噪聲分析

某發(fā)動(dòng)機(jī)前端布置如圖1 所示，其機(jī)油泵由鏈條驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鏈輪齒數(shù)為36，從動(dòng)輪即機(jī)油泵鏈輪齒數(shù)為32，數(shù)比為36/32。機(jī)油泵為齒輪泵，機(jī)油泵內(nèi)部為一對(duì)齒數(shù)為8 的齒輪，如圖2 所示。由傳動(dòng)數(shù)比及機(jī)油泵齒輪齒數(shù)可知，曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)36/32圈，而從動(dòng)鏈輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，機(jī)油泵齒輪嚙合8 次，即會(huì)產(chǎn)生齒輪嚙合沖擊基頻=(36/32)×8=9。

圖1 前端布置Fig.1 Front end arrangement

圖2 機(jī)油泵齒輪Fig.2 Oil pump gear

1.1 怠速時(shí)異響主觀駕評(píng)

實(shí)驗(yàn)樣車(chē)?yán)滠?chē)啟動(dòng)(環(huán)境溫度約18?C)，怠速時(shí)車(chē)內(nèi)及車(chē)外均有明顯“嗚嗚”異響，用聽(tīng)診器初步排查，異響主要來(lái)源為油底殼方向。在油底殼表面吸兩塊磁鐵(單個(gè)質(zhì)量約2 kg)，“嗚嗚”異響改善明顯。取下磁鐵后，“嗚嗚”異響復(fù)現(xiàn)。

車(chē)輛行駛過(guò)程中，因背景噪聲變大，車(chē)內(nèi)無(wú)明顯“嗚嗚”異響，車(chē)輛行駛一段時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)后(機(jī)油溫度約90?C)，車(chē)輛定置怠速，車(chē)內(nèi)外“嗚嗚”異響明顯變?nèi)酰?chē)內(nèi)怠速關(guān)窗條件下，異響聲音微弱，駕評(píng)可接受。

1.2 怠速時(shí)異響客觀數(shù)據(jù)測(cè)試分析

油底殼近場(chǎng)10 cm 布置一個(gè)傳聲器，車(chē)內(nèi)主駕右耳布置一個(gè)傳聲器，油底殼表面布置一個(gè)三軸振動(dòng)傳感器。測(cè)試坐標(biāo)系定義為由飛輪端指向前端為+X方向，由排氣側(cè)指向進(jìn)氣側(cè)為+Y方向，豎直向上為+Z方向。

如圖3 和圖4 所示，原始狀態(tài)油底殼近場(chǎng)存在明顯的240 Hz的異響，經(jīng)濾波分析，抱怨的怠速“嗚嗚”聲正是該240 Hz頻段。在油底殼底部加磁鐵后，油底殼局部模態(tài)頻率及振幅改變，240 Hz 頻段“嗚嗚”異響明顯減小。客觀測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，臨時(shí)增加磁鐵后，240 Hz“嗚嗚”異響降低了12 dB(A)，如圖5所示。油底殼Z方向振動(dòng)由0.27 g 降低至了0.20 g，如圖6所示。

圖3 原始狀態(tài)油底殼近場(chǎng)噪聲Fig.3 Near-field noise of oil pan original state

圖4 加磁鐵后油底殼近場(chǎng)噪聲Fig.4 Near-field noise of oil pan adding magent

圖5 加磁鐵前后噪聲變化Fig.5 Noise changes before and after adding magent

圖6 加磁鐵前后油底殼底面振動(dòng)變化Fig.6 Vibration changes before and after adding magent

怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，在機(jī)油泵齒輪嚙合過(guò)程中存在240 Hz 的激勵(lì)頻率，(800 r/min/60)×9×2=240 Hz。檢查機(jī)油標(biāo)尺液位，當(dāng)前液位在上刻度與下刻度之間約1/2位置。為了測(cè)試驗(yàn)證當(dāng)前液位下油底殼的約束模態(tài)，采用LMS Test.Lab實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，采用錘擊實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行含油狀態(tài)的油底殼約束模態(tài)測(cè)試。分析帶寬2048 Hz，分辨率1 Hz。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 油底殼模態(tài)頻率測(cè)試結(jié)果Table 1 Oil pan modal frequency test results

怠速時(shí)機(jī)油泵激勵(lì)頻率240 Hz 與當(dāng)前液位下油底殼模態(tài)頻率接近(238 Hz)，兩者耦合，形成了“嗚嗚”異響。

2 油溫及油液對(duì)噪聲影響分析

2.1 機(jī)油溫度對(duì)噪聲振動(dòng)影響分析

本文所研究怠速時(shí)“嗚嗚”異響有一個(gè)特點(diǎn)，即其他條件不變情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)后，機(jī)油溫度約90?C 時(shí)，“嗚嗚”異響相對(duì)冷機(jī)情況有明顯改善。為分析機(jī)油溫度對(duì)油底殼表面振動(dòng)影響，將發(fā)動(dòng)機(jī)上NVH 臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，外接機(jī)油溫度傳感器，在油底殼表面布置振動(dòng)傳感器，測(cè)試時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為怠速800 r/min。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 油底殼表面振動(dòng)隨機(jī)油溫度變化Table 2 Oil pan surface vibration random oil temperature

機(jī)油黏度會(huì)隨著溫度的不同而變化，本文所研究車(chē)輛使用機(jī)油牌號(hào)為5W-30，其不同溫度下機(jī)油黏度見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下的機(jī)油黏度Table 3 Oil viscosity at different temperatures

為分析不同機(jī)油溫度下，機(jī)油泵工作時(shí)其泵體振動(dòng)變化，將機(jī)油泵安裝在專用性能臺(tái)架上，機(jī)油泵用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速比保持與發(fā)動(dòng)機(jī)上速比一致，循環(huán)機(jī)油外接電加熱，泵體上安裝振動(dòng)傳感器，如圖7所示，測(cè)試時(shí)保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速及壓力。不同機(jī)油溫度下，機(jī)油泵本體振動(dòng)變化測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 機(jī)油泵振動(dòng)隨機(jī)油溫度變化Table 4 Oil pump vibration random oil temperature change

圖7 機(jī)油泵性能臺(tái)架振動(dòng)測(cè)試Fig.7 Vibration test of oil pump performance

通過(guò)分析機(jī)油泵振動(dòng)隨溫度變化數(shù)據(jù)，可以得出，在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速及壓力下，隨著機(jī)油溫度的升高，機(jī)油泵上振動(dòng)逐步減小，即泵體振動(dòng)隨著機(jī)油黏度的降低而降低。

2.2 機(jī)油液位對(duì)噪聲振動(dòng)的影響分析

機(jī)油液位不同時(shí)油底殼模態(tài)頻率會(huì)有所變化，機(jī)油含量對(duì)油底殼表面振動(dòng)也存在影響。為分析這些具體影響，將發(fā)動(dòng)機(jī)置于NVH 臺(tái)架，并在油底殼位置布置振動(dòng)傳感器，如圖8所示。

該發(fā)動(dòng)機(jī)正常保養(yǎng)時(shí)機(jī)油加注量為9.5 L，機(jī)油標(biāo)尺下刻度線時(shí)加注量約7.5 L，加9.5 L 時(shí)在機(jī)油標(biāo)尺上刻度線位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)先放出所有機(jī)油，并確保所有機(jī)油均放出，然后用量杯逐步加注機(jī)油，分別加注6 L、7 L、8 L、9 L、10 L 機(jī)油。采用LMS Test.Lab 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，采用錘擊實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行不同含油狀態(tài)的油底殼約束模態(tài)頻率測(cè)試。在加注量8 L、9 L、10 L 三種狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速掃頻，測(cè)試油底殼共振帶。同時(shí)通過(guò)油底殼流固耦合分析方法[3]，分別計(jì)算加注6 L、7 L、8 L、9 L、10 L 機(jī)油時(shí)油底殼模態(tài)頻率。模態(tài)計(jì)算結(jié)果及振型如圖9 所示。模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖9 油底殼模態(tài)計(jì)算第1 階模態(tài)頻率270 Hz (加注6 L 油)Fig.9 First mode frequency of oil pan 270 Hz(Fill with 6 L oil)

機(jī)油加注量低于7 L 時(shí)因遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的下刻度線，影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑，未進(jìn)行加速掃頻測(cè)試及油底殼振動(dòng)測(cè)試。從表5 的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及仿真分析結(jié)果可以得出，隨著機(jī)油加注量的逐步增加，油底殼模態(tài)頻率逐步降低。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，如怠速800 r/min 工況，隨著機(jī)油加注量的逐步增加，油底殼底面振動(dòng)逐步減小。

3 怠速時(shí)油底殼異響優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案一

由前面分析可以知道，產(chǎn)生怠速時(shí)“嗚嗚”異響的原因?yàn)闄C(jī)油泵激勵(lì)頻率與油底殼模態(tài)頻率耦合。怠速時(shí)機(jī)油泵的激勵(lì)頻率為(800 r/min/60)×(36/32)×8×2=240 Hz，其中36/32 為驅(qū)動(dòng)鏈輪與機(jī)油泵鏈輪之間的速比。油底殼模態(tài)頻率隨著機(jī)油加注量的不同而變化，該型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)加注機(jī)油量下限為7.5 L，即對(duì)應(yīng)機(jī)油標(biāo)尺下刻度位置，設(shè)計(jì)加注機(jī)油量上限為9.5 L，即對(duì)應(yīng)機(jī)油標(biāo)尺上刻度位置。當(dāng)由于機(jī)油初始加注量不同或者機(jī)油消耗等原因?qū)е聶C(jī)油液位不同時(shí)，只要機(jī)油液位還在標(biāo)尺的上下限刻度之間，即在7.5～9.5 L 之間，均是滿足要求的，而根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)及仿真分析，此時(shí)的油底殼模態(tài)頻率會(huì)在220～250 Hz之間。

當(dāng)機(jī)油泵激勵(lì)頻率沒(méi)有落在220～250 Hz 區(qū)間時(shí)，則不論機(jī)油液位在那個(gè)位置，都不會(huì)導(dǎo)致頻率耦合異響。所以優(yōu)化方案可以是改變驅(qū)動(dòng)鏈輪與機(jī)油泵鏈輪的傳動(dòng)速比或者機(jī)油泵齒輪齒數(shù)，如機(jī)油泵齒輪齒數(shù)改為10，則怠速時(shí)機(jī)油泵的激勵(lì)頻率就會(huì)變?yōu)?800 r/min/60)×(36/32)×8×2=300 Hz。但實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的中后期，無(wú)論是變更傳動(dòng)速比還是變更機(jī)油泵齒輪齒數(shù)均是很困難的。較為快速可行的優(yōu)化方案為變更怠速轉(zhuǎn)速。為使機(jī)油泵激勵(lì)頻率有效避開(kāi)220～250 Hz 這個(gè)區(qū)間，使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速變更為900 r/min，此時(shí)激勵(lì)頻率為270 Hz。怠速轉(zhuǎn)速變更前后噪聲優(yōu)化如圖10所示。

圖10 調(diào)整怠速轉(zhuǎn)速噪聲優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Adjust idle speed noise optimization results

從圖10的優(yōu)化結(jié)果來(lái)看還是比較明顯的，不過(guò)怠速轉(zhuǎn)速由800 r/min 提升至900 r/min，對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)提升幅度過(guò)大，需重新進(jìn)行油耗實(shí)驗(yàn)，并且駕評(píng)怠速900 r/min 時(shí)，對(duì)整車(chē)怠速振動(dòng)水平及整體噪聲有明顯惡化。雖然該方案可快速解決問(wèn)題且不增加任何開(kāi)發(fā)成本，但項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程最終未采取該方案。

3.2 優(yōu)化方案二

在機(jī)油泵激勵(lì)頻率不變的情況下，提高油底殼模態(tài)頻率也是較為有效可行的方案。如圖11 所示，在油底殼底面增加一個(gè)肋板，可極大地提高油底殼模態(tài)頻率。新增肋板材料為鋼，厚度為2 mm，通過(guò)焊接固定在油底殼內(nèi)側(cè)，中間3 個(gè)焊點(diǎn)固定在底面，兩側(cè)各1 個(gè)焊點(diǎn)固定在側(cè)面，肋板整體懸空，距離底面5 mm。

圖11 油底殼底面加肋板方案Fig.11 Oil pan ribbed plate scheme

如圖12 所示，在機(jī)油加注量上限條件下，油底殼第一階模態(tài)頻率從220 Hz提高至了268 Hz，在此條件下，無(wú)論油液如何變動(dòng)，均不會(huì)導(dǎo)致機(jī)油泵激勵(lì)頻率與油底殼模態(tài)頻率的耦合異響。項(xiàng)目最終采用油底殼增加肋板的方案優(yōu)化該異響問(wèn)題。

圖12 油底殼加肋板方案CAE 計(jì)算結(jié)果Fig.12 CAE results of oil pan ribbed plate scheme

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)怠速時(shí)油底殼異響的案例分析，驗(yàn)證了齒輪式機(jī)油泵對(duì)油底殼噪聲振動(dòng)的影響，以及機(jī)油加注量不同時(shí)對(duì)油底殼模態(tài)，表面振動(dòng)等的影響。并給出了幾個(gè)主要的優(yōu)化方向，如優(yōu)化傳動(dòng)速比，優(yōu)化油底殼模態(tài)等。主要結(jié)論有：

(1) 怠速時(shí)機(jī)油泵的激勵(lì)頻率與油底殼頻率耦合會(huì)導(dǎo)致異響。

(2) 油底殼模態(tài)會(huì)隨著機(jī)油加注量的逐步增多而逐漸減小，油底殼表面振動(dòng)會(huì)隨著機(jī)油加注量的增多而減小。

(3) 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速及壓力下，隨著機(jī)油溫度的升高，機(jī)油泵本體振動(dòng)會(huì)逐步減小，油底殼表面振動(dòng)也呈逐步減小趨勢(shì)。