關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；附件傳動(dòng)系統(tǒng)；張緊器；異響；頻譜分析

0 前言

近年來，消費(fèi)者對(duì)降低汽車振動(dòng)噪聲的要求越來越高，這對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力燃油汽車的噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度（NVH）性能提出了更高的要求。在傳統(tǒng)動(dòng)力燃油汽車開發(fā)過程中，除了考慮動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求外，NVH 要求也逐漸作成為整車性能的重要指標(biāo)［1］。

發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)常見的NVH 問題主要有打滑異響、對(duì)齊度異響、皮帶拍打異響及軸承異響等。本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)NVH 問題，主要是研究發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件——附件張緊器，在車輛加速過程中出現(xiàn)“噠噠”異響問題。因此，研究采用發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)異響噪聲源排查方法，分析從激勵(lì)、傳遞路徑和響應(yīng)3個(gè)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(yōu)化方案。

1 問題描述

某燃油汽車在行駛加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500～3 000 r/min 時(shí)前艙存在“噠噠”異響。根據(jù)多批次、多人次車輛試駕主觀評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)“噠噠”異響只存在車輛中等油門及上油門加速工況下，穩(wěn)態(tài)工況和小油門工況時(shí)不存在“噠噠”異響問題。

對(duì)從駕駛室測(cè)得的“噠噠”異響進(jìn)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(xù)異響，其頻譜如圖1 所示。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min 時(shí)，對(duì)“噠噠”異響進(jìn)行階次分析（異響階次= 異響時(shí)間間隔/發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速），結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)圖2 顯示的異響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以初步得到發(fā)動(dòng)機(jī)的異響階次為0.5，即表示發(fā)動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)2 周產(chǎn)生1 次異響。

2 異響位置確認(rèn)

由于異響只在車輛加速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)，出于安全原因，確認(rèn)異響位置較為困難。發(fā)動(dòng)機(jī)異響源的測(cè)試分析過程如圖3 所示。測(cè)試分析過程步驟如下：① 根據(jù)“噠噠”異響階次為0.5 的情況，重點(diǎn)排查發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)和缸內(nèi)系統(tǒng)，但都未發(fā)現(xiàn)異常；② 通過前艙發(fā)動(dòng)機(jī)6 個(gè)面上布置傳感器，同時(shí)在坑道的舉升機(jī)上運(yùn)行車輛時(shí)進(jìn)行主觀評(píng)估，根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)和主觀評(píng)估，判定噪聲來自發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系；③ 將附件皮帶拆除，“噠噠”異響消失，因此確認(rèn)異響為來自發(fā)動(dòng)機(jī)前端；④ 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)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(nèi)提供恒定的皮帶張力，維持各附件，如發(fā)電機(jī)、水泵和空壓機(jī)等的正常運(yùn)轉(zhuǎn)［2］。張緊器通過附件皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶輪連接。由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，燃燒氣體產(chǎn)生的能量對(duì)活塞沖擊非常明顯，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的不均性［3］，也會(huì)通過皮帶引起附件張緊器劇烈擺動(dòng)。

針對(duì)本文發(fā)動(dòng)機(jī)“噠噠”異響只出現(xiàn)在加速工況，在該工況下測(cè)量張緊器某擺臂處的加速度，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出：振動(dòng)能量主要出現(xiàn)在200～600 Hz，與駕駛室內(nèi)測(cè)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(lì)、切斷傳遞路徑和降低響應(yīng)［4］。針對(duì)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(dòng)加速度。

4. 1 降低曲軸帶輪角加速度

根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析可知，曲軸帶輪角加速度主要與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒爆發(fā)壓力和曲軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量有關(guān)，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒爆發(fā)壓力與點(diǎn)火提前角也息息相關(guān)［5-6］。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)已成型，無法改變曲軸系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)慣量，改變點(diǎn)火提前角以驗(yàn)證其對(duì)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(diào)整點(diǎn)火提前角確實(shí)能降低曲軸帶輪角加速度，進(jìn)而消除“ 噠噠”異響問題。但是通過對(duì)整車駕駛性評(píng)估，發(fā)現(xiàn)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(lì)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(lì)傳遞到附件張緊器上。

對(duì)于降低曲軸帶輪到張緊器的激勵(lì)，理論上可以通過改變傳遞路徑上的零件剛度來實(shí)現(xiàn)。改變傳遞路徑上剛性可調(diào)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(duì)剛度影響較大的結(jié)構(gòu)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(duì)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(diào)整發(fā)電機(jī)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(jìn)行優(yōu)化，無法解決“噠噠”異響問題。

4. 3 降低附件張緊器的振動(dòng)加速度

附件張緊器作為“噠噠”異響的源頭，降低其噪聲振動(dòng)是最直接有效的方法。附件張緊器也是附件傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，為了保證合理的張力和衰減抖動(dòng)能量，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由十幾個(gè)子零件組成，如圖8 所示。

為了降低張緊器響應(yīng)，提高張緊器的模態(tài)可以降低振動(dòng)加速度。由于張緊器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且整個(gè)附件傳動(dòng)系統(tǒng)中零件較多，如有橡膠類零件——附件皮帶存在，整個(gè)系統(tǒng)為非剛性系統(tǒng)，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）手段無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)附件張緊器實(shí)際工作位置時(shí)的模態(tài)。為了得到接近真實(shí)附件張緊器的工作模態(tài)，通過敲擊試驗(yàn)法進(jìn)行研究，結(jié)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(tài)都落在“噠噠”異響頻率范圍之內(nèi)。由于張緊器的模態(tài)較低，在整車加速時(shí)，曲軸通過附件皮帶很容易將附件張緊器前幾階次模態(tài)激起，從而產(chǎn)生異響。根據(jù)模態(tài)分析理論，提高剛度或降低質(zhì)量都可以提高模態(tài)。為了降低附件張緊器的模態(tài)，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(zhì)量由220 g 減少到90 g。通過敲擊試驗(yàn)法，可以發(fā)現(xiàn)附件張緊器的振動(dòng)模態(tài)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(tài)比原方案的模態(tài)有顯著提高，且出現(xiàn)“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(shí)測(cè)張緊器振動(dòng)加速度和主觀評(píng)估。整車上實(shí)測(cè)的振動(dòng)張緊器振動(dòng)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(dòng)加速度顯著降低；NVH 噪聲主觀評(píng)估加速時(shí)駕駛室的“噠噠”異響完全消失，滿足了整車NVH 要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)車輛在行駛加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min 時(shí)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(shí)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作方式確定了噪聲源的具體位置；從激勵(lì)源、傳遞路徑和激勵(lì)響應(yīng)這3 個(gè)方面分析評(píng)估對(duì)異響問題的影響，提出了優(yōu)化措施。通過研究得出如下結(jié)論：

（1） 通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角可以降低曲軸的角振動(dòng)，進(jìn)而降低異響水平，但對(duì)整車加速響應(yīng)會(huì)有損失。

（2） 通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)附件張緊器的振動(dòng)模態(tài)，可以降低附件張緊器的振動(dòng)加速度，進(jìn)而消除發(fā)動(dòng)機(jī)的“噠噠”異響。