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(duì)于汽車的振動(dòng)、噪聲及舒適性的要求也越來越高，因此，對(duì)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(duì)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(cè)，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(duì)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(hào)，主要測(cè)試設(shè)備為AVL發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)和PUMA測(cè)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(duì)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(duì)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(píng)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(duì)機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒端間隙改進(jìn)樣件進(jìn)行測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)改進(jìn)樣件進(jìn)行工況測(cè)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(duì)機(jī)油泵本體進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化樣件進(jìn)行工況測(cè)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(duì)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。