陳小波，薛 順

（1.柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司，廣西 柳州 545005；2.拾音汽車科技（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

近年來(lái)，隨著人們環(huán)境、健康意識(shí)的不斷提高，車輛的舒適度及聲品質(zhì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)上，提高車輛的噪聲水平已成為新的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向。在此背景下，車輛的NVH性能正式成為汽車研發(fā)過程中最為重要的性能指標(biāo)[1]。

某增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在前期匹配某車型進(jìn)行整車噪音主觀評(píng)估時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)在原地P 檔從怠速升速到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)在某一固定轉(zhuǎn)速出現(xiàn)尖銳的異常噪音，而且隨著反復(fù)從怠速升速到最高轉(zhuǎn)速的次數(shù)越多，這個(gè)噪音會(huì)更加尖銳和刺耳。通過對(duì)車輛進(jìn)行NVH 噪音測(cè)試結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行噪音的原因排查與分析，并通過制造特殊樣件進(jìn)行激勵(lì)源的判定，最終鎖定產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng)的問題件，并通過優(yōu)化問題件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音與振動(dòng)得到明顯改善。該問題的發(fā)現(xiàn)與成功解決，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的匹配開發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)，增加了與發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)強(qiáng)相關(guān)的噪音驗(yàn)證工況，同時(shí)也給發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)零部件的開發(fā)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

1 問題定義

發(fā)動(dòng)機(jī)在熱機(jī)加速及降速過程中，在特定轉(zhuǎn)速段出現(xiàn)明顯異響，冷機(jī)無(wú)該異響抱怨。為了快速鎖定噪聲來(lái)源，分析潛在噪聲機(jī)理，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)常見噪聲源及傳播路徑進(jìn)行了NVH 測(cè)試與分析。重點(diǎn)測(cè)試駕駛室駕駛員左耳、右耳以及整車進(jìn)氣口、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器、機(jī)濾以及前端輪系近場(chǎng)噪音以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、懸置、機(jī)濾及機(jī)濾座的振動(dòng)。如圖1 為車內(nèi)噪音頻譜發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程中6.1 階及其諧波階次顯著，特別當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到某轉(zhuǎn)速附近，階次特征變得更加凸顯。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)噪音，從上到下依次為機(jī)濾、整車進(jìn)氣口、前端輪系及增壓器近場(chǎng)噪音。從圖2 分析可知機(jī)濾近場(chǎng)噪聲特征與車內(nèi)噪聲抱怨階次特征吻合，而整車進(jìn)氣口、前端輪系以及增壓器等位置處不明顯。

圖1 車內(nèi)噪音

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)噪音

2 問題排查

如圖3 在機(jī)濾表面安裝振動(dòng)加速度傳感器以及在機(jī)濾近場(chǎng)安裝麥克風(fēng)。分別在冷機(jī)和熱機(jī)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min 升速到5000 r/min 時(shí)的機(jī)濾表面的振動(dòng)和近場(chǎng)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)在熱機(jī)加速及降速過程中，主觀感受在特定轉(zhuǎn)速段出現(xiàn)明顯異響，而冷機(jī)無(wú)該異響。如圖4 分別是冷機(jī)和熱機(jī)時(shí)機(jī)濾近場(chǎng)噪聲頻譜圖，從圖中可清晰得出：熱機(jī)狀態(tài)下當(dāng)某轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異響時(shí)，機(jī)濾表面振動(dòng)及近場(chǎng)噪聲均能捕捉到該信號(hào)；而冷機(jī)狀態(tài)時(shí)，沒有類似異響，同時(shí)機(jī)濾近場(chǎng)噪聲和表面振動(dòng)也無(wú)相關(guān)信號(hào)。

圖3 機(jī)濾近場(chǎng)麥克風(fēng)及機(jī)濾表面振動(dòng)傳感器

圖4 機(jī)濾近場(chǎng)冷機(jī)與熱機(jī)噪聲

如圖5 熱機(jī)狀態(tài)時(shí)機(jī)濾近場(chǎng)噪聲及其自身振動(dòng)頻譜，可知機(jī)濾近場(chǎng)噪聲與其自身振動(dòng)完全吻合，均存在6.1 階及其諧波階次能量在某轉(zhuǎn)速顯著增大的特征。通過檢查發(fā)動(dòng)機(jī)零部件發(fā)現(xiàn)機(jī)油泵內(nèi)轉(zhuǎn)子數(shù)為5，機(jī)油泵與曲軸的速比為1.22，對(duì)應(yīng)曲軸的階次剛好為6.1 階，與噪聲階次吻合。同時(shí)機(jī)油泵噪聲經(jīng)常具備明顯的階次特征，基于以上特征分析初步判斷抱怨噪聲來(lái)自于機(jī)油泵。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到某特定轉(zhuǎn)速時(shí)，噪聲及振動(dòng)階次能量顯著增大可能和機(jī)油泵工作狀態(tài)發(fā)生變化相關(guān)。

圖5 機(jī)濾近場(chǎng)噪聲及振動(dòng)

噪聲的傳遞路徑主要分為空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩類[3]。要確定分析是由何種路徑傳聲到駕駛室內(nèi)，才能針對(duì)噪聲作出相應(yīng)的改善措施。通過測(cè)試機(jī)濾以及懸置支架振動(dòng)，機(jī)濾近場(chǎng)噪聲及車內(nèi)噪聲頻譜（圖6）以及左懸置和機(jī)濾表面振動(dòng)（圖7）分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱懸置主動(dòng)側(cè)均識(shí)別到機(jī)油泵噪聲相同的階次特征，說明其液壓激勵(lì)高到影響整個(gè)動(dòng)力總成。關(guān)于車內(nèi)抱怨的噪聲問題，部分能量激勵(lì)來(lái)源于結(jié)構(gòu)傳聲，動(dòng)力總成懸置會(huì)將噪聲傳遞至車內(nèi)。

圖6 機(jī)濾近場(chǎng)噪聲和車內(nèi)噪音

圖7 左懸置和機(jī)濾表面振動(dòng)

經(jīng)過上述問題初步排查，已可以明確該異常噪音的產(chǎn)生來(lái)自機(jī)油泵，結(jié)合噪聲在冷機(jī)時(shí)無(wú)而熱機(jī)時(shí)產(chǎn)生，說明機(jī)油泵工作導(dǎo)致異常噪音的產(chǎn)生與溫度相關(guān)聯(lián)。而機(jī)油泵結(jié)構(gòu)或者工作原理本身不會(huì)隨著溫度變化而產(chǎn)生變化[2]，因此懷疑是機(jī)油壓力在溫度的影響下，會(huì)產(chǎn)生不同的脈動(dòng)表現(xiàn)而引起噪音。為了更加直觀的檢查機(jī)油壓力脈動(dòng)與溫度、噪音的表現(xiàn)關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)主油道上安裝機(jī)油壓力脈動(dòng)傳感器。如圖8，在機(jī)濾座油道上安裝高動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)傳感器測(cè)試機(jī)濾出口油道壓力脈動(dòng)，同時(shí)在機(jī)濾上安裝振動(dòng)傳感器，采集振動(dòng)噪聲。

圖8 機(jī)濾振動(dòng)傳感器及高動(dòng)態(tài)壓力脈動(dòng)傳感器

如圖9 和10 可知，機(jī)油壓力波動(dòng)頻譜與機(jī)濾振動(dòng)頻譜趨勢(shì)一致，主要貢獻(xiàn)為6.1 的倍數(shù)階，與上述所講機(jī)油泵階次吻合。同時(shí)機(jī)濾近場(chǎng)噪聲與主油道壓力在相同轉(zhuǎn)速同步出現(xiàn)階次能量惡化，可以說明噪聲由機(jī)油泵液壓激勵(lì)產(chǎn)生。同時(shí)，如圖11 熱機(jī)與冷機(jī)時(shí)機(jī)油波動(dòng)對(duì)比：冷機(jī)狀態(tài)下機(jī)油壓力脈動(dòng)增大基本正常，噪聲抱怨轉(zhuǎn)速點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯的壓力驟變及階次能量增大；熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，機(jī)油壓力在噪聲抱怨轉(zhuǎn)速點(diǎn)明顯發(fā)生驟變。

圖9 機(jī)油壓力波動(dòng)頻譜-熱機(jī)

圖10 機(jī)油表面振動(dòng)頻譜-熱機(jī)

圖11 熱機(jī)及冷機(jī)時(shí)機(jī)油波動(dòng)對(duì)比

如圖12 可以更加清晰地觀察到機(jī)油脈動(dòng)、機(jī)濾表面振動(dòng)以及與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響關(guān)系。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，如圖所示發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在95 ℃時(shí)，機(jī)油壓力脈動(dòng)在某轉(zhuǎn)速產(chǎn)生突變，同步在車內(nèi)能清晰聽到抱怨噪聲。同時(shí)在機(jī)油壓力脈動(dòng)突變時(shí)機(jī)濾表面的振動(dòng)也產(chǎn)生突變兩者發(fā)生時(shí)刻完全吻合并呈臺(tái)階式上升。進(jìn)一步證實(shí)，機(jī)濾表面突變振動(dòng)由機(jī)油壓力脈動(dòng)突變激勵(lì)產(chǎn)生。

圖12 機(jī)油脈動(dòng)與機(jī)濾表面振動(dòng)關(guān)系

3 原因確定

通過上述問題排查，結(jié)合機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)，初步判定為泄壓閥在熱機(jī)狀態(tài)下工作狀態(tài)下異常導(dǎo)致機(jī)油脈動(dòng)在某轉(zhuǎn)速產(chǎn)生突變，從而產(chǎn)生噪音。為了進(jìn)一步證實(shí)噪音出現(xiàn)時(shí)刻的壓力脈動(dòng)與泄壓閥相關(guān)，制作特殊樣件把泄壓閥閥芯固定，泄壓閥的閥心固定后，泄壓閥不會(huì)隨著壓力升高出現(xiàn)泄壓。

在整車上更換機(jī)油泵并進(jìn)行NVH 測(cè)試，發(fā)現(xiàn)泄壓閥完全固定后，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)狀態(tài)原地P 檔加速全過程中壓力脈動(dòng)無(wú)明顯突變，主觀感受也未聽到噪音。

如圖13，機(jī)油泵泄壓閥芯完全固定后，機(jī)油脈動(dòng)及機(jī)濾表面振動(dòng)關(guān)系，機(jī)油脈動(dòng)無(wú)明顯突變，機(jī)濾表面振動(dòng)臺(tái)階式上升問題已消除，噪音消失。由此可確定根本原因?yàn)樾箟洪y異常工作狀態(tài)導(dǎo)致了抱怨噪音的產(chǎn)生。

圖13 機(jī)油脈動(dòng)與機(jī)濾表面振動(dòng)關(guān)系（泄壓閥芯固定）

從測(cè)試結(jié)果分析：油路是存在腔體模態(tài)，當(dāng)激勵(lì)達(dá)到該頻率時(shí)，油路發(fā)生共振，產(chǎn)生較大油壓波動(dòng)，引起彈簧的異常運(yùn)動(dòng)，形成異響，反復(fù)升降速工況，前一次的油壓脈動(dòng)尚未衰減完，后一次激勵(lì)施加導(dǎo)致壓力脈動(dòng)逐漸增加，異響轉(zhuǎn)速點(diǎn)逐漸降低；而冷機(jī)狀態(tài)下潤(rùn)滑油黏度更高，阻尼更大，油液振幅小，所以無(wú)異響。

4 方案驗(yàn)證

雖然把泄壓閥芯固定或者取消泄壓閥結(jié)構(gòu)可以解決噪音問題，但考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)各個(gè)系統(tǒng)對(duì)油壓的要求，實(shí)際上機(jī)油泵泄壓閥根本無(wú)法取消。如圖14 為發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖，從整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的各個(gè)油路上分析可能改善噪音的方案。將整個(gè)油路分成5 部分，分別為：機(jī)油泵傳動(dòng)、機(jī)油泵泄壓閥機(jī)構(gòu)、主油道、用油部件。對(duì)于機(jī)油泵傳動(dòng)系需要降低傳動(dòng)比，可以降低相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)油壓力，從而降低壓力波動(dòng)；對(duì)于機(jī)油泵泄壓閥機(jī)構(gòu)，優(yōu)化泄壓截面結(jié)構(gòu)以減小油壓及流量的突變，同時(shí)優(yōu)化泄壓閥彈簧的剛度以及增加泄壓閥芯的重量來(lái)增加泄壓機(jī)構(gòu)的阻尼，從而降低油壓波動(dòng)。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

對(duì)于主油道而言，則需要通過CFD 分析，減小主油道的壓力損失，為優(yōu)化泄壓閥機(jī)構(gòu)提供更大的空間；對(duì)于用油部件，則需要優(yōu)化各運(yùn)動(dòng)間隙，以減小機(jī)油泄露，從而可以降低機(jī)油壓力的需求，降低泵的壓力。由于主油道及用油部件的運(yùn)動(dòng)間隙優(yōu)化有限，故將機(jī)油泵泄壓機(jī)構(gòu)作為重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象，同時(shí)在保持需求油壓的情況下適當(dāng)降低傳動(dòng)比。

經(jīng)過多種方案嘗試與驗(yàn)證，確定了如下的驗(yàn)證方案：

（1）將機(jī)油泵泄壓截面由單泄壓T 型泄壓槽優(yōu)化為對(duì)稱式泄壓槽；

（2）增加泄壓閥芯的重量以提高機(jī)油泵在泄壓時(shí)閥芯的穩(wěn)定性；

（3）提升機(jī)油泵的泄壓彈簧的剛度；

（4）同時(shí)降低傳動(dòng)速比。

采用優(yōu)化方案后，進(jìn)行的NVH 測(cè)試，主觀感受無(wú)突變?cè)胍舢a(chǎn)生，機(jī)濾近場(chǎng)噪聲頻譜，如圖15 所示，在噪音產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速及其附近無(wú)明顯振動(dòng)的痕跡，同時(shí)升速過程中機(jī)油壓力上升較為平滑，機(jī)濾振動(dòng)、機(jī)濾近場(chǎng)噪聲的頻率特性中，無(wú)明顯機(jī)油泵諧階次。

圖15 機(jī)濾噪聲&機(jī)濾振動(dòng)及油壓測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)可能產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)在原地P 檔在熱機(jī)狀態(tài)時(shí)在某固定轉(zhuǎn)速產(chǎn)生突變?cè)胍舻南到y(tǒng)分析以及NVH測(cè)試驗(yàn)證及指導(dǎo)，最終確定噪音產(chǎn)生的來(lái)源，并通過對(duì)機(jī)油泵泄壓機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，有效解決了噪音問題。