侯秋豐 王海龍 趙 川 孫洪偉

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性是現(xiàn)階段乘用車追求的目標(biāo)，為了滿足客戶對車輛振動和噪聲性能日益增高的需求，人們應(yīng)用各種各樣的辦法使汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。平衡軸系統(tǒng)的引入大幅提升了發(fā)動機(jī)的NVH 性能，其作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)外各個整車廠得到廣泛應(yīng)用。

平衡軸自身結(jié)構(gòu)是一個帶有偏心質(zhì)量塊、并伴隨曲軸以固定速比轉(zhuǎn)動的軸，偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生離心力，可以全部或部分抵消發(fā)動機(jī)的往復(fù)慣性力或者翻轉(zhuǎn)力矩。四缸機(jī)由于一階往復(fù)慣性力實(shí)現(xiàn)自平衡，無需額外引入平衡機(jī)構(gòu)，四缸機(jī)平衡軸是為了降低發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中二階往復(fù)慣性力帶來的振動，使發(fā)動機(jī)獲得良好的平衡效果，降低發(fā)動1 機(jī)的振動和噪聲，從而提高車輛的舒適性。

平衡軸系統(tǒng)工作過程中需要曲軸傳遞動力，平衡軸的驅(qū)動類型大部分是齒輪傳動或者鏈條傳動，由于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不均勻?qū)е缕胶廨S驅(qū)動系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也難免會產(chǎn)生一定的振動和噪聲。本文針對某款2.0T 四缸機(jī)平衡軸系統(tǒng)驅(qū)動齒輪的嘯叫問題進(jìn)行了研究，并對齒輪進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到消除嘯叫噪聲的目標(biāo)。

1 噪聲源識別

1.1 問題描述

某款試驗(yàn)車輛的發(fā)動機(jī)在怠速工況和小油門加速工況1 000～3 000 r/min 區(qū)間存在嘯叫異響，對此異響進(jìn)行NVH 評價(jià)主觀評分5.5 分，用戶存在嚴(yán)重抱怨。針對問題車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，車輛的加速和怠速的噪聲測試分析結(jié)果如圖1 和圖2 所示，數(shù)據(jù)分析顯示用戶抱怨的嘯叫異響是102 階[1]。然后對嘯叫異響發(fā)動機(jī)的平衡軸組件進(jìn)行ABA 換件驗(yàn)證，得到的結(jié)論是嘯叫異響跟隨平衡軸組件，因此鎖定此嘯叫異響與平衡軸組件強(qiáng)相關(guān)。

圖1 小油門加速工況

圖2 怠速工況

1.2 平衡軸系統(tǒng)介紹

該款發(fā)動機(jī)平衡軸系統(tǒng)如圖3 所示，平衡軸驅(qū)動力來源是發(fā)動機(jī)曲軸，由曲軸齒輪驅(qū)動平衡軸組件。平衡軸組件包含2 根平衡軸，每根平衡軸上固定一個平衡軸齒輪和兩個平衡重。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，先由固定在發(fā)動機(jī)曲軸上的曲軸齒輪把轉(zhuǎn)矩傳遞給平衡軸齒輪1，然后平衡軸齒輪1 帶動平衡軸齒輪2轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動平衡軸系統(tǒng)。由于齒輪的作用，2 根平衡軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，4 個平衡重旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的離心力在發(fā)動機(jī)橫向的分力相互抵消，離心力在發(fā)動機(jī)垂直方向的分力與發(fā)動機(jī)活塞連桿系統(tǒng)的二階往復(fù)慣性力相抵消，從而達(dá)到平衡的作用[2]。本方案平衡軸系統(tǒng)中平衡軸齒輪2 不是簡單的鋼齒斜齒輪結(jié)構(gòu)，而是以一種組件的結(jié)構(gòu)存在，如圖4 所示，我們通常稱之為剪刀齒結(jié)構(gòu)。

圖3 平衡軸系統(tǒng)

圖4 平衡軸剪刀齒

平衡軸系統(tǒng)的齒輪全部為斜齒輪，曲軸齒輪的齒數(shù)為102 個，平衡軸齒輪1 的齒數(shù)為51 個，平衡軸齒輪2 的齒數(shù)也為51 個，2 個平衡軸的轉(zhuǎn)速為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的2 倍。剪刀齒組件由2 個同軸的主齒和副齒組成，主副齒輪之間可以相對自由轉(zhuǎn)動，在主副齒輪間預(yù)留一部分空隙安裝“C”形扭簧，扭簧通過定位銷限位，主副齒輪相對轉(zhuǎn)動時扭簧能提供剪切力，碟形彈簧和卡簧產(chǎn)生的軸向力把主副齒輪壓在一起產(chǎn)生阻尼，由此組成剪刀齒組件。剪刀齒組件也是一套彈簧阻尼系統(tǒng)，在平衡軸系統(tǒng)工作時起到減振作用。剪刀齒的另一個作用是通過主副齒輪的相對轉(zhuǎn)動，隨時補(bǔ)償嚙合的齒輪副之間的側(cè)隙，降低由于轉(zhuǎn)矩波動帶來的齒輪敲擊異響，但同時由于扭簧剪切力的作用使齒面正壓力增大，齒面壓力增大會帶來齒輪嘯叫風(fēng)險(xiǎn)[3]。

1.3 聲源鎖定

本套平衡軸系統(tǒng)的3 個齒輪中，有2 組齒輪副同時工作，這2 處都有可能是嘯叫的噪聲源，需要制定排除法鎖定嘯叫產(chǎn)生的位置：

1）調(diào)整曲軸齒輪和平衡軸齒輪1 的側(cè)隙，驗(yàn)證是否因?yàn)辇X輪側(cè)隙過小而產(chǎn)生嘯叫；

2）摘除剪刀齒副齒，取消剪刀齒的消隙功能，驗(yàn)證是否因?yàn)榧舻洱X剪切力過大導(dǎo)致嘯叫。

首先按照第1）個方案驗(yàn)證，手動調(diào)節(jié)把曲軸齒輪和平衡軸齒輪1 之間的側(cè)隙分別調(diào)節(jié)為0.04 mm和0.12 mm 進(jìn)行驗(yàn)證和測試評價(jià)，發(fā)現(xiàn)102 階嘯叫異響并未減輕。然后按照第2）個方案驗(yàn)證，拆解后去除剪刀齒副齒后裝車驗(yàn)證和測試評價(jià)，發(fā)現(xiàn)102 階嘯叫異響消失。

通過上述方案驗(yàn)證結(jié)果，可以鎖定此平衡軸嘯叫異響是由平衡軸齒輪1 和平衡軸齒輪2 之間嚙合產(chǎn)生的。

2 齒形分析及參數(shù)優(yōu)化

2.1 嘯叫機(jī)理

曲軸齒輪每轉(zhuǎn)過一個齒就會產(chǎn)生一次撞擊，即每圈撞擊的次數(shù)與齒輪的齒數(shù)相等，其嚙合頻率為[4]:

式中：f 為頻率，Hz；N 為齒數(shù)，n 為轉(zhuǎn)速，r/min。

曲軸齒輪齒數(shù)N 為102，發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速n 為800 r/min，怠速轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)曲軸齒輪與平衡軸齒輪1 的撞擊頻率f=1 360 Hz。由此可知，由于曲軸齒輪的沖擊產(chǎn)生激勵，平衡軸齒輪1 與平衡軸齒輪2嚙合過程的傳遞誤差[5]產(chǎn)生嘯叫聲。

2.2 仿真分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，決定通過齒面修形參數(shù)優(yōu)化提升來解決此嘯叫問題，制定了優(yōu)化提升的工作流程圖，如圖5 所示。

圖5 工作流程圖

首先對發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行扭振分析[6]，需要把連桿和平衡軸的旋轉(zhuǎn)慣量等效到曲軸系統(tǒng)模型中，如圖6、7 所示。提取出第六曲柄臂（11 位置）曲軸齒輪處的角加速度，通過角加速度計(jì)算出平衡軸齒輪的沖擊載荷，計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。曲軸齒輪與平衡軸齒輪1 側(cè)隙為0.12 mm 時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min工況下，平衡軸齒輪1 最大沖擊轉(zhuǎn)矩146 N·m，平衡軸齒輪2 最大沖擊轉(zhuǎn)矩116 N·m。

圖6 軸系模型

圖7 軸系仿真模型

圖8 齒輪沖擊載荷

然后根據(jù)發(fā)動機(jī)模型采用MASTA 軟件對其進(jìn)行仿真建模，為了使仿真計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，就需要考慮發(fā)動機(jī)缸體和軸系剛度的影響，建模如圖9 所示。

圖9 仿真建模

最后通過仿真模擬接觸斑點(diǎn)和計(jì)算傳遞誤差，仿真結(jié)果如圖10 所示。平衡軸齒輪1 和剪刀齒副齒的接觸斑點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的偏心，且接觸斑點(diǎn)面積較小。同時計(jì)算得到齒輪傳遞誤差值大于0.1，“C”型扭簧的轉(zhuǎn)矩對平衡軸齒輪1 和剪刀齒主齒的傳遞誤差幾乎沒有影響，對剪刀齒副齒傳遞誤差的影響較大，如圖11 所示。根據(jù)仿真結(jié)果評估，此狀態(tài)的齒輪配合出現(xiàn)嘯叫問題的風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖10 接觸斑點(diǎn)

圖11 傳遞誤差

2.3 齒形優(yōu)化

由于嘯叫出現(xiàn)在平衡軸齒輪1 和平衡軸齒輪2的嚙合部位，根據(jù)歷史項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，把2 個齒輪的部分齒面修形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表1所示。

表1 齒面修形參數(shù)對比 μm

然后把優(yōu)化后的參數(shù)再次帶入模型中計(jì)算。如圖12 所示，優(yōu)化后的齒輪接觸斑點(diǎn)都處于居中位置，而且接觸面積均勻，接觸區(qū)域超過齒面的80%。傳遞誤差也在原方案的基礎(chǔ)上有較大提升，達(dá)到了小于0.1 的水平，與優(yōu)化前曲線趨勢類似，如圖13 所示?！癈”型扭簧的轉(zhuǎn)矩對平衡軸齒輪1 和剪刀齒主齒的傳遞誤差幾乎沒有影響，對剪刀齒副齒傳遞誤差的影響較大，扭簧力矩取值選擇在曲線拐點(diǎn)3 N·m的位置。根據(jù)仿真評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，新的齒面修形方案出現(xiàn)嘯叫的概率很低。

圖12 優(yōu)化后齒輪接觸斑點(diǎn)

圖13 優(yōu)化后傳遞誤差

3 方案驗(yàn)證

3.1 接觸斑點(diǎn)驗(yàn)證

對齒輪進(jìn)行齒面修形，對優(yōu)化前后的樣件進(jìn)行接觸斑點(diǎn)測試，接觸斑點(diǎn)的對比結(jié)果如圖14 和15所示。從圖片可以看出剪刀齒主齒和副齒的接觸斑點(diǎn)明顯改善，嚙合齒面的接觸面積和接觸均勻性都有較大提升，通過這個試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖14 優(yōu)化前接觸斑點(diǎn)

圖15 優(yōu)化后接觸斑點(diǎn)

3.2 NVH 性能驗(yàn)證

把平衡軸組件的舊齒輪替換成優(yōu)化后的新齒輪，然后裝車進(jìn)行NVH 測試和主觀評價(jià)。主觀評價(jià)平衡軸102 階嘯叫改善明顯，主觀評分為7.0 分，測試結(jié)果如圖16 所示，102 階次特征消失。

圖16 優(yōu)化后小油門加速工況

4 結(jié)論

1）平衡軸嘯叫異響來源于齒輪嚙合，發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)矩波動帶來剪刀齒齒面壓力的變化，剪刀齒參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理會使齒輪傳遞誤差增大，當(dāng)大于某個閥值時，駕駛員或乘客在發(fā)動機(jī)特定工況下就能感受到NVH 的惡化。

2）齒輪的傳遞誤差與齒面修形強(qiáng)相關(guān)，設(shè)計(jì)合理齒形齒向參數(shù)對嘯叫有明顯的改善，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期有必要通過CAE 仿真分析優(yōu)化齒形參數(shù)，能夠有效縮短開發(fā)驗(yàn)證周期。

3）在修形參數(shù)確定的情況下，調(diào)整剪刀齒剪切力也會影響傳遞誤差，但是貢獻(xiàn)度不如齒面修形貢獻(xiàn)度大，可以在齒面修形無法優(yōu)化或者設(shè)備能力無法提升的前提下對剪刀齒剪切力進(jìn)行優(yōu)化。

4）齒輪的傳遞誤差直接影響齒輪接觸斑點(diǎn)的形狀，雖然平衡軸剪刀齒模數(shù)較小，但對其做接觸斑點(diǎn)試驗(yàn)，也有助于提前預(yù)測裝車后的NVH 表現(xiàn)，對設(shè)計(jì)也能發(fā)揮有效的指導(dǎo)作用。