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        某1.3 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵噪聲的改善

        2017-08-20 01:22:14周景航劉宇恒李政
        汽車工程師 2017年5期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)

        周景航 劉宇恒 李政

        (泛亞汽車技術(shù)中心有限公司)

        隨著科技的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高,人們對于汽車的振動(dòng)、噪聲及舒適性的要求也越來越高,因此,對內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)和噪聲的研究成為近幾年研究的熱點(diǎn)[1]150。近幾年,計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)已廣泛應(yīng)用于汽車開發(fā)的全過程。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,其分析結(jié)果可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)思路,并且對每一次的設(shè)計(jì)嘗試在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行虛擬預(yù)測,以求達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。有限元法是CAE技術(shù)常用分析方法,有限元分析和試驗(yàn)結(jié)合大大提高了仿真分析的精度,同時(shí)縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。文章分析了某款1.3 L自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的轉(zhuǎn)子嚙合高頻嘯叫聲的產(chǎn)生機(jī)理,運(yùn)用CAE和試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 機(jī)油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲的確認(rèn)

        某1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中,客戶對發(fā)動(dòng)機(jī)嘯叫噪聲有抱怨。在發(fā)動(dòng)機(jī)松開油門從6 000 r/min下降到怠速過程中,2 500 r/min到5 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi),嘯叫會(huì)引起部分客戶抱怨。

        采用在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲振動(dòng)半消聲試驗(yàn)室內(nèi)采集該噪聲信號,主要測試設(shè)備為AVL發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)和PUMA測試系統(tǒng),以及LMS振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。減速工況下,采集到車內(nèi)噪聲頻譜圖,如圖1所示,橢圓線部分為抱怨噪聲,噪聲階次為15階和30階。階次是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的屬性,可以理解為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周發(fā)生的次數(shù)。無論主動(dòng)輪的齒數(shù)大于還是小于從動(dòng)輪的齒數(shù),都將使齒輪每轉(zhuǎn)過1個(gè)輪齒就產(chǎn)生1次撞擊,即每轉(zhuǎn)1圈撞擊的次數(shù)與主動(dòng)輪的齒數(shù)相等。

        圖1 1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)減速噪聲頻譜圖

        由于出現(xiàn)的階次為15階和30階,檢查該發(fā)動(dòng)機(jī)上所有的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件,只有機(jī)油泵的主動(dòng)輪內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為15個(gè)。機(jī)油泵轉(zhuǎn)子示意圖,如圖2所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)沒有齒數(shù)為30的部件,因此,30階噪聲是機(jī)油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲的諧次。

        圖2 機(jī)油泵轉(zhuǎn)子示意圖

        轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵主要由內(nèi)外轉(zhuǎn)子、機(jī)油泵體及機(jī)油泵蓋等零件組成,內(nèi)轉(zhuǎn)子定心環(huán)固定在機(jī)油泵泵體上。該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵由曲軸驅(qū)動(dòng),曲軸通過兩方曲軸鏈輪驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。外轉(zhuǎn)子自由地安裝在泵體內(nèi),并與內(nèi)轉(zhuǎn)子嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有一定的偏心距。該機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子有15齒,外轉(zhuǎn)子比內(nèi)轉(zhuǎn)子多一個(gè)齒,為16齒。工作時(shí),內(nèi)轉(zhuǎn)子通過與外轉(zhuǎn)子齒形輪廓的嚙合,同方向帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的偏心距,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),吸入端完成真空吸油,容積減少,機(jī)油加壓進(jìn)而吐出。轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,供油量大而且油壓均勻。

        2 機(jī)油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲的分析和解決

        針對機(jī)油泵轉(zhuǎn)子嚙合噪聲產(chǎn)生的機(jī)理,從3個(gè)方面改善該噪聲,下面分別對這3個(gè)方面進(jìn)行分析。

        2.1 機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子嚙合音的優(yōu)化

        轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),在外轉(zhuǎn)子的外周,內(nèi)外轉(zhuǎn)子可以移動(dòng)的區(qū)域內(nèi),如果存在齒端干涉,會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外轉(zhuǎn)子嚙合音。內(nèi)外轉(zhuǎn)子的嚙合示意圖,如圖3所示。

        圖3 機(jī)油泵轉(zhuǎn)子中心示意圖

        引起噪聲抱怨的機(jī)油泵,內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒頂間隙是滿足要求的。但是,為了評估該機(jī)油泵NVH問題,在還是想使外轉(zhuǎn)子位置更加靠近齒間距離更大的一側(cè),采用了在油泵轉(zhuǎn)子室內(nèi)壁加槽(如圖4紅線區(qū)域),以擴(kuò)大內(nèi)外齒端間隙。

        圖4 機(jī)油泵轉(zhuǎn)子齒端間隙改進(jìn)說明示意圖

        在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲半消聲試驗(yàn)室,對機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒端間隙改進(jìn)樣件進(jìn)行測試,從6 000 r/min下降到怠速,發(fā)現(xiàn)該嘯叫噪聲在15階和30階均沒有明顯改善。因此,內(nèi)外齒端間隙不是該高頻嘯叫噪聲的根本原因。

        2.2 機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)鏈輪配合間隙優(yōu)化

        機(jī)油泵通過安裝在曲軸上的曲軸鏈輪驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子進(jìn)而帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子工作。通過吸油、壓油及吐油的循環(huán)工作,為發(fā)動(dòng)機(jī)提供充足的機(jī)油流量和油壓。其中,曲軸鏈輪和內(nèi)轉(zhuǎn)子是間隙配合。間隙配合可以方便機(jī)油泵的安裝,但鏈輪和內(nèi)轉(zhuǎn)子之間的間隙在機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生鏈輪對內(nèi)轉(zhuǎn)子的敲擊,導(dǎo)致機(jī)油泵運(yùn)行的平穩(wěn)性較差。

        通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),有噪聲抱怨的零件,鏈輪與內(nèi)轉(zhuǎn)子的間隙為0.4 mm。為驗(yàn)證鏈輪與內(nèi)轉(zhuǎn)子間隙對該機(jī)油泵嚙合噪聲的影響,制作了特殊內(nèi)轉(zhuǎn)子樣件,設(shè)定鏈輪與內(nèi)轉(zhuǎn)子間的間隙為0.1 mm。

        在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲振動(dòng)半消聲試驗(yàn)室內(nèi),對改進(jìn)樣件進(jìn)行工況測試,發(fā)現(xiàn)該嘯叫噪聲在15階有明顯改善,橢圓斜線部分顏色變淺,噪聲降低;30階改善不明顯。如圖5所示。

        圖5 改進(jìn)后噪聲彩圖(15階噪聲)

        2.3 機(jī)油泵泵體剛度優(yōu)化

        機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子在工作過程中,不可避免地產(chǎn)生嚙合撞擊。當(dāng)嚙合撞擊的頻率與機(jī)油泵系統(tǒng)產(chǎn)生共振時(shí),會(huì)激發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲。因此,需對機(jī)油泵本體進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

        對于多自由度系統(tǒng),動(dòng)力學(xué)方程[1-4]可以表示為:

        式中:[M],[C],[K]——質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣;

        {q}——節(jié)點(diǎn)位移向量;

        {F(t)}——節(jié)點(diǎn)載荷向量。

        在求解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型時(shí),可不考慮阻尼和外界激勵(lì)力,因此式(1)可以簡化為無阻尼自由振動(dòng)方程,如式(2)所示。

        文章采用試驗(yàn)和分析的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。機(jī)油泵本體的試驗(yàn)?zāi)B(tài)采用錘擊法,機(jī)油泵通過橡皮繩懸掛。傳感器布置,如圖6所示。經(jīng)過模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,在1 537 Hz為油泵局部模態(tài),與圖1中30階噪聲所處的頻率相同。

        圖6 機(jī)油泵殼體模態(tài)試驗(yàn)布置圖

        由于該機(jī)油泵與30階噪聲所處頻率相同,因此對機(jī)油泵本體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí),需避開該頻率。機(jī)油泵本體設(shè)計(jì),如圖7所示,將機(jī)油泵轉(zhuǎn)子室設(shè)計(jì)成圓滑凸型結(jié)構(gòu),并進(jìn)行約束結(jié)構(gòu)CAE模態(tài)分析。

        圖7 機(jī)油泵殼體模態(tài)改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

        圖8示出改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)油泵腔體局部模態(tài)圖,頻率為2 504 Hz,對比現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的頻率(2 005 Hz)可知,機(jī)油泵腔體處的模態(tài)有大幅提升。

        圖8 機(jī)油泵殼體局部模態(tài)圖

        在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲半消聲試驗(yàn)室內(nèi),對結(jié)構(gòu)優(yōu)化樣件進(jìn)行工況測試,發(fā)現(xiàn)該嘯叫噪聲在30階有明顯改善,橢圓斜線部分顏色變淺,噪聲降低;15階改善不明顯。改進(jìn)后噪聲彩圖,如圖9所示。

        圖9 改進(jìn)后噪聲彩圖(30階噪聲)

        3 結(jié)論

        1)機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒端間隙改進(jìn)對該機(jī)油泵15和30階噪聲無明顯改善,內(nèi)外齒端間隙不是該高頻嘯叫噪聲的根本原因;

        2)通過機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)鏈輪配合間隙優(yōu)化,間隙從0.4 mm減小到0.1 mm,該15階嘯叫噪聲有明顯改善,表明機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)鏈輪配合間隙是影響15階噪聲的主要因素;

        3)通過機(jī)油泵本體結(jié)構(gòu)改進(jìn),原機(jī)油泵本體的摸態(tài)頻率有很大提高,避開了30階噪聲頻率,30階嘯叫噪聲有明顯的改善;

        4)CAE和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,大大縮短了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)間,提高了CAE仿真精度,使解決問題的時(shí)間大為縮短。

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