某車怠速氣門敲擊聲改善的試驗研究

靳文冰 李青林 趙雨雷 廉晶晶 孫晨

摘要：本文針對某車怠速時發(fā)動機氣門敲擊聲較大的問題，首先概述了氣門敲擊聲的發(fā)生機理，而后對實車噪音結(jié)合主觀評價和聲回放系統(tǒng)確定了該噪聲的頻率范圍為1.2kHz-1.4kHz，通過試驗分析證實該噪聲為氣門敲擊缸體所致，進而提出了調(diào)整氣門間隙的改善措施。最后，對比聲源處的頻譜分析結(jié)果及聲源表面成像，結(jié)果表明氣門敲擊聲的改善效果明顯。

關鍵詞：氣門敲擊聲;頻譜分析;聲回放;表面聲源成像

文獻標識碼：TB53 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2018） 02-0084-05

1 引言

消費者對于汽車的靜音性和聲品質(zhì)感的要求越來越高，而怠速噪聲是消費者對車輛靜音性和聲品質(zhì)的第一印象，是停車等待時車內(nèi)環(huán)境舒適性的直接體驗。研究表明怠速時來自發(fā)動機的輻射噪聲源貢獻量達55%，其中頻率較高的氣門敲擊聲更容易被人耳感知。

氣門作為汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的核心部件，在復雜受力及高速運轉(zhuǎn)作用下，氣門不斷敲擊發(fā)動機缸體，最終通過氣門室罩蓋向外輻射噪聲。然而，為了保證氣門處具有足夠大的氣流通過能力，要求凸輪升程規(guī)律能使氣門盡可能地快速地打開和閉合，并使凸輪升程曲線盡可能地豐滿，這必然導致了所有凸輪從動件的加速度迅速增大，使整個配氣機構(gòu)的沖擊加劇，從而產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲。所以，提高配氣機構(gòu)的工作性能和降低配氣機構(gòu)的振動及噪聲是相互矛盾的。因此，有必要弄清配氣機構(gòu)振動和噪聲產(chǎn)生的機理，找出其主要的振動和噪聲源。

本文針對某車怠速狀態(tài)下氣門敲擊聲過大的問題，借助聲源分析、濾波、回放和成像技術(shù)，研究了氣門敲擊聲的頻率特征，有針對性地提出了改善措施。試驗證明，合理地調(diào)整進氣門和排氣門與挺柱之間的間隙能夠有效地改善氣門敲擊聲。

2 問題提出和分析

2.1問題提出

某車在怠速工況下車內(nèi)反饋有嚴重的發(fā)動機氣門敲擊聲研究人員通過主觀評價確認了該問題表現(xiàn)為發(fā)動機的氣門敲擊噪聲，車內(nèi)和車外均很突出。

為了進一步明確問題，如圖1所示，分別在發(fā)動機氣門室罩蓋上端和殼體處布置一個傳聲器和加速度傳感器，分析怠速工況下近場噪聲和輻射表面振動的頻譜特征。利用HEAD公司的聲回放系統(tǒng)圖2，進行原始信號的濾波和回放后，基本確定了氣門敲擊聲的頻率范圍約為1.2 kHz至2.4 kHz。圖3所示為問題樣車氣門室罩蓋近場輻射聲的A計權(quán)聲壓級FFT云圖。

2.2試驗調(diào)查和分析

顧名思義，氣門敲擊噪聲是氣門敲擊缸體所致。資料顯示，通常頂置式凸輪軸配氣結(jié)構(gòu)缸體的剛度在108數(shù)量級（N/m），其自振頻率大概在2000 Hz附近，為此，調(diào)查問題車發(fā)動機缸體本身的固有頻率特性。如圖4所示，在缸體上布置一個加速度傳感器，用力錘分別敲擊進氣門和節(jié)氣門頂部，測量二者之間的振動傳遞函數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

振動傳遞函數(shù)測試結(jié)果顯示，1、2、3、4缸的進氣門和節(jié)氣門在1.2 k-2.4 kHz頻率范圍內(nèi)均出現(xiàn)了若干峰值，這些峰值對應為缸體的若干階共振頻率，并且與氣門敲擊聲的問題頻率吻合。結(jié)果證實，氣門敲擊聲問題是由氣門落座時敲擊缸體所致。至此可明確，缸體在氣門敲擊力作用下振動，在其固有頻率1.2k-2.4kHz范圍內(nèi)共振發(fā)聲。

一般而言，共振問題改善有兩種方式：一是降低激勵水平，也就是減小氣門落座力;二是改變響應特性，這需要改變缸體本身的固有頻率。問題車的缸體已然定型，只能嘗試降低激勵力。

3 改善措施及試驗驗證

為了改善氣門落座產(chǎn)生的激勵力，需要研究影響氣門落座力的因素。

研究發(fā)現(xiàn)，氣門間隙如圖6所示，對氣門落座力有直接的影響，在其他條件不變的前提下，氣門落座力會隨著氣門間隙的增大而增大圖7。文獻指出，隨著氣門間隙的增大，氣門開啟和關閉點后移，氣門升程下降，除了不利于進氣效率，氣門開啟點和關閉點的變化會使得氣門承受載荷變化的更劇烈，產(chǎn)生更大的加速度。同時，氣門間隙過大還會使得氣門落座的速度變大，甚至導致氣門在凸輪型線的工作段末脫離搖臂，緩沖段喪失作用，氣門在彈簧力作用下落座，甚至發(fā)生反跳。而較大的落座速度同樣會帶來較大的落座力。

總之，減小氣門間隙，有利于降低氣門落座力，進而有利于減弱激勵水平和輻射噪聲的能量，達到改善氣門敲擊音的目的。

3.1改善措施

考慮問題車的實際狀態(tài)，按照盡可能地減小氣門間隙的原則，調(diào)整問題車的進氣門和排氣門間隙。通過調(diào)整挺柱的精加工尺寸，實現(xiàn)對氣門間隙的精確控制，安裝后用塞尺測量實際狀態(tài)的間隙值，將調(diào)整前后的實測間隙值列于表1。進氣門和節(jié)氣門間隙分別相對調(diào)整前較少23%和16%。

3.2改善效果驗證

為了驗證調(diào)整氣門間隙對氣門敲擊聲的改善效果，分別進行了氣門室罩蓋近場輻射噪聲FFT對比、表面振動的FFT對比以及氣門室罩蓋表面輻射噪聲源成像對比，試驗結(jié)果分別列于圖8、圖9和圖10。

對比改善前后的輻射噪聲，1.2kHz-2.4kHz問題頻率下A計權(quán)聲壓級顯著降低，調(diào)整氣門間隙后，問題頻率段（切片）的A計權(quán)聲壓級降低達9dB（A），改善效果顯著。相應的輻射表面的振動加速度級也略有降低圖9。

同樣的，利用傳聲器陣列對氣門室罩蓋表面進行聲源成像，平面陣列距離聲源1m，計算問題頻率范圍內(nèi)輻射表面平均聲強級的分布。如圖10所示，可以看到同樣的標尺下，改善后整體聲強級降低明顯，最大聲強降低約4.2W/m²。

綜上所述，氣門室罩蓋的近場輻射A計權(quán)聲壓級FFT云圖及聲強成像的結(jié)果一致性地表明，調(diào)整進排氣氣門間隙后，問題車的發(fā)動機氣門敲擊聲的改善效果明顯。

4結(jié)語

本文針對某車怠速時出現(xiàn)的發(fā)動機氣門敲擊聲較大的問題，首先利用聲回放系統(tǒng)確定了該噪聲的頻率范圍為1.2 kHz-2.4 kHz，并指出該噪聲可能為氣門敲擊缸體所致。進一步，利用錘擊法對缸體和氣門整體進行模態(tài)傳遞函數(shù)測試，結(jié)果顯示在該問題頻率下出現(xiàn)了若干突出的峰值，證實了該推論。接著，分析了改善氣門敲擊聲的可行途徑：即通過減小氣門間隙量，降低氣門落座產(chǎn)生的激勵力，從而降低氣門敲擊的能量。最后，結(jié)合頻譜分析和表面聲源成像技術(shù)，驗證了該改善措施的有效性，調(diào)整氣門間隙后，聲源處問題頻率下的A計權(quán)聲壓級降低達9dB（A）。