張 楊 甄洪梅 楊 雋 欒永東

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引言

汽車發(fā)動機中常見的驅(qū)動方式包括鏈條傳動、齒輪傳動。由于發(fā)動機的運轉(zhuǎn)存在不穩(wěn)定性，導致各運動部件產(chǎn)生振動，形成發(fā)動機內(nèi)部的振動源和噪聲源。產(chǎn)生噪聲的原因有多種，噪聲的傳遞路徑比較復雜，各種振動和噪聲綜合形成了復雜的聲場，當噪聲超過一定數(shù)值時就產(chǎn)生了噪聲污染。要消除噪聲首先要弄清各種振動源、噪聲源產(chǎn)生的基本原理，明確各種振動和噪聲的特性以及它們之間的相互作用，以便采取有效措施控制振動和噪聲[1-2]。

本文就某汽油機在冷起動時產(chǎn)生尖銳的哨聲進行分析，通過對噪聲類型進行判斷，然后通過振動試驗得到發(fā)動機機體的頻譜數(shù)據(jù)，找到哨聲產(chǎn)生的噪聲源，由此采取措施降低此噪聲。

1 現(xiàn)象描述及初步分析

某發(fā)動機在冷起動時產(chǎn)生尖銳的哨聲，在起動半小時后哨聲消失；發(fā)動機在高溫時起動沒有哨聲。

由于哨聲尖銳、頻率高，排除由機體等大型部件振動所致，懷疑是齒輪傳動或者小型部件高頻振動所致。可能的噪聲源有以下幾種：正時傳動、平衡軸傳動、曲軸與變速箱傳動、發(fā)電機傳動[3]。

為了找到噪聲源，采用振動測試設備測試發(fā)動機的時域振動數(shù)據(jù)，然后通過FFT 變換設備把時域數(shù)據(jù)變換成頻域數(shù)據(jù)，再通過分析各個可能產(chǎn)生噪聲部件的固有特性，找到產(chǎn)生最大頻響的部件。

2 發(fā)動機振動數(shù)據(jù)采集及噪聲源分析

2.1 振動試驗

在發(fā)動機機體上選取測試點，通過振動測試設備得到整個機體內(nèi)零部件的時域振動數(shù)據(jù)，對此數(shù)據(jù)進行信號處理，然后經(jīng)過頻域變換設備得到機體振動的頻域信號，再對頻域信號進行分析，對應各個部件的固有振動特性來找出振動頻響突變的部件。

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖1 為振動試驗結(jié)果。圖1 中，橫坐標“階次”為每轉(zhuǎn)一圈敲擊或振動的次數(shù)。

圖1 振動試驗結(jié)果

從圖1 可以看出，低溫時高頻振動對應44 階次，而位于曲軸上的平衡軸驅(qū)動齒輪的齒數(shù)正好為44 齒，判定主要噪聲源為驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪嚙合處?？紤]到平衡軸齒輪的振動，考察2 根平衡軸之間的連接，發(fā)現(xiàn)50 階次時振動也較明顯，而平衡軸之間連接齒輪的齒數(shù)為25 齒，驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪的傳動比為1 ∶2，所以50 階次對應的特征正好是2 個平衡軸齒輪嚙合處的振動，不過較驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪嚙合處的振動要小很多。其他階次無明顯振動。說明尖銳的哨聲主要是在平衡軸齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合處以及2 個平衡軸齒輪嚙合處發(fā)生。

曲軸驅(qū)動齒輪與2 個平衡軸齒輪的位置示意圖如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪位置示意圖

首先測量拆解狀態(tài)下的平衡軸之間的齒隙。測量拆解后的曲軸箱發(fā)現(xiàn)，圖2 所示A 處間隙很小，B處間隙為0。產(chǎn)生該問題的原因有2 個，其一為安裝平衡軸齒輪的曲軸箱尺寸不合格；其二為2 個平衡軸齒輪加工質(zhì)量不良，導致相嚙合齒輪之間的間隙過小甚至無間隙。

經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，曲軸箱尺寸合格，排除曲軸箱因素導致哨聲產(chǎn)生。更換新的平衡軸后，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，A、B 處均存在齒隙。因此鎖定平衡軸齒輪加工質(zhì)量不良，相嚙合齒輪之間的間隙過小甚至無間隙，導致哨聲產(chǎn)生。

舊平衡軸的振動測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 舊平衡軸的振動測試結(jié)果

更換新的平衡軸后，再次通過振動測試設備進行測試，新平衡軸的振動測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 新衡軸的振動測試結(jié)果

對比圖3 和圖4 可以看出，在低溫條件下，更換新的平衡軸后，位于驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪嚙合處的振動變得不明顯，同時2 個平衡軸齒輪嚙合處的振動也減??；在高溫條件下，更換新的平衡軸后，驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪嚙合處的振動減小。

2.3 噪聲源分析

經(jīng)過上述分析，尖銳哨聲產(chǎn)生的主要原因為平衡軸齒輪加工質(zhì)量不良，導致相嚙合齒輪的齒隙過小甚至無齒隙，產(chǎn)生哨聲。

而發(fā)動機起動20 min 后哨聲漸漸消失是因為發(fā)動機溫度升高，鋁合金缸體和鋼齒輪的熱膨脹系數(shù)差別較大，在工作過程中產(chǎn)生的熱變形量不一樣，從而使齒隙變大，哨聲消失。

2.4 降低噪聲的措施

適當加大圖5 所示的曲軸與平衡軸1 中心距C的公差以及平衡軸1 與平衡軸2 中心距D 的公差，見表1。

表1 公差變化

圖5 中心距

振動試驗結(jié)果表明，公差適當加大后，哨聲消除。原因是公差適當加大后，可增加齒輪之間的嚙合間隙，避免因齒隙過小引起哨聲問題。

3 結(jié)論

某發(fā)動機在冷起動時產(chǎn)生哨聲。通過對機體進行振動測試和分析，得出冷起動哨聲產(chǎn)生的源頭為曲軸驅(qū)動齒輪與平衡軸齒輪之間、2 個平衡軸齒輪之間的間隙過小。適當加大曲軸與平衡軸中心距的公差以及2 根平衡軸中心距的公差，可增加齒輪之間的嚙合間隙，避免因齒隙過小產(chǎn)生哨聲問題。