提高發(fā)動(dòng)機(jī)NVH測(cè)試有效性的探索

張欣亮 崔曉敏

摘要：汽車(chē)的不斷振動(dòng)會(huì)造成車(chē)身及懸掛系統(tǒng)的疲勞破壞，也會(huì)對(duì)人的健康造成威脅，因此減振降噪、提高車(chē)輛的NVH性能應(yīng)當(dāng)成為車(chē)輛開(kāi)發(fā)中加強(qiáng)關(guān)注與研究的部分。特別是近段時(shí)期，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的不斷進(jìn)步，舒適性逐漸成為現(xiàn)代汽車(chē)的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息時(shí)代的來(lái)臨，各個(gè)公司的上下游供應(yīng)商和主機(jī)廠(chǎng)之間的合作不斷深化發(fā)展，交流日益加深，大多數(shù)的汽車(chē)企業(yè)之間的安全性和操作性水平差距在不斷縮小，相對(duì)而言，汽車(chē)使用中的舒適性能即振動(dòng)和噪聲的水平往往成為區(qū)分汽車(chē)水平的關(guān)鍵指標(biāo)。本文筆者結(jié)合自身的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)及前人的研究成果簡(jiǎn)要分析了提高發(fā)動(dòng)機(jī)NVH測(cè)試有效性的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；NVH測(cè)試；有效性

1引言

經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展使人們對(duì)汽車(chē)的性能要求也越來(lái)越高，人們從最初的追求單純性?xún)r(jià)比到現(xiàn)在高度重視汽車(chē)的NVH（Noise噪聲、Vibration振動(dòng)、Harshness聲振粗糙度）水平。所以，在汽車(chē)NVH綜合測(cè)試評(píng)價(jià)過(guò)程中，尋找一種能夠方便快捷的進(jìn)行汽車(chē)NVH測(cè)試評(píng)價(jià)的方法，準(zhǔn)確的進(jìn)行汽車(chē)NVH數(shù)據(jù)測(cè)量，快速的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)施評(píng)價(jià)已經(jīng)勢(shì)在必行。

2發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

2.1燃燒噪聲產(chǎn)生機(jī)理

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，燃燒柔和，噪聲比較小，但是當(dāng)發(fā)生爆燃和表面點(diǎn)火不正常燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。當(dāng)氣缸內(nèi)的混合氣壓力和溫度過(guò)高時(shí)，火花塞還沒(méi)有點(diǎn)燃混合氣，混合氣就會(huì)自行燃燒，使得燃燒火焰以高于正常的燃燒速度向外傳播，產(chǎn)生尖銳的敲缸聲，這就是爆燃現(xiàn)象。產(chǎn)生爆燃的原因主要有以下幾種：（1）積碳過(guò)多。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的積碳過(guò)多會(huì)造成缸內(nèi)容積減小，使氣缸壓縮比增大，容易使混合氣提前燃燒；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于超負(fù)荷、大功率條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，過(guò)熱的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)提前預(yù)熱混合氣，造成局部混合氣溫度過(guò)高，提前到達(dá)著火點(diǎn)，自行燃燒，從而引發(fā)爆燃；（3）燃油質(zhì)量不高。如果發(fā)動(dòng)機(jī)使用了存放很久的汽油或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)密封的汽油，汽油的辛烷值會(huì)降低，容易燃燒不完全，使得先點(diǎn)燃的混合氣膨脹壓縮未點(diǎn)燃的混合氣，使其自燃，產(chǎn)生爆燃。

2.2機(jī)械噪聲產(chǎn)生機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體壓力和曲柄連桿的往復(fù)性慣性力會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)而發(fā)出噪聲，這個(gè)噪聲就稱(chēng)為機(jī)械噪聲。其中，機(jī)械噪聲包括活塞敲擊噪聲、齒輪傳動(dòng)噪聲、正時(shí)皮帶噪聲、配氣機(jī)構(gòu)噪聲、高壓油泵噪聲等。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，機(jī)械噪聲被其他噪聲所掩蓋，不是主要的噪聲貢獻(xiàn)源，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械噪聲是主要的噪聲源。文章簡(jiǎn)要分析其中的兩種：活塞敲擊噪聲，由于活塞與缸套之間不可避免的存在間隙，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到上、下止點(diǎn)時(shí)，連桿與活塞的相對(duì)位置發(fā)生變化，周期性側(cè)向力施加于活塞，使活塞與氣缸內(nèi)壁發(fā)生敲擊，從而產(chǎn)生敲擊噪聲。齒輪傳動(dòng)噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)齒輪不可避免地存在齒間敲擊和齒間摩擦，從而使齒輪產(chǎn)生齒間的嚙合振動(dòng)和噪聲。并且由于齒輪在加工制造誤差或安裝誤差的影響，相互嚙合齒輪間形成較大的齒側(cè)間隙，造成非線(xiàn)性的振動(dòng)和沖擊噪聲。齒輪在交變載荷的作用下，會(huì)對(duì)軸造成交變的沖擊，最終將交變的負(fù)荷施加在軸承上，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的交變振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，輻射到機(jī)體外。

3發(fā)動(dòng)機(jī)NVH試驗(yàn)概述

為了建立發(fā)動(dòng)機(jī)NVH評(píng)價(jià)方法，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，首先需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行正確測(cè)試，獲取到能真實(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)聲振情況的數(shù)據(jù)，才能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。通常發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)包括一米聲壓級(jí)/聲功率級(jí)測(cè)試、聲品質(zhì)測(cè)試、燃燒噪聲測(cè)試、近場(chǎng)噪聲測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件振動(dòng)測(cè)試。課題所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能評(píng)價(jià)方法是為了反映發(fā)動(dòng)機(jī)的整體NVH性能水平，因此需要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)噪聲和整機(jī)振動(dòng)來(lái)劃分評(píng)價(jià)指標(biāo)，涉及的試驗(yàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)一米聲壓級(jí)/聲功率級(jí)測(cè)試和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)測(cè)試。并且為了排除整車(chē)上其他部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)測(cè)試的影響，反映出真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)水平，特此在標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)。

4發(fā)動(dòng)機(jī)NVH測(cè)試的影響因素及提升有效性的策略

4.1生產(chǎn)機(jī)型差異對(duì)振動(dòng)測(cè)試的影響

不同機(jī)型的NVH情況會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)參數(shù)、正時(shí)信號(hào)、裝配零部件差異存在不同。測(cè)試時(shí)，外載NVH測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的機(jī)型調(diào)用完全依賴(lài)?yán)湓嚋y(cè)試系統(tǒng)端發(fā)送的機(jī)型識(shí)別碼。在設(shè)備運(yùn)行前期會(huì)出現(xiàn)機(jī)型識(shí)別不全，或者分類(lèi)不當(dāng)導(dǎo)致的測(cè)試故障率高的情況。例如同一排量的機(jī)型，但是安裝不同種類(lèi)的凸輪軸，則振動(dòng)值也會(huì)存在差異，所以需要進(jìn)行合理的機(jī)型區(qū)分。如下圖1所示，藍(lán)色為A機(jī)型、綠色為B機(jī)型，A、B為同排量同系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，紫色曲線(xiàn)為限值曲線(xiàn)，可知，在某工況下，測(cè)試的結(jié)果存在角度差異，測(cè)試存在測(cè)試某種機(jī)型時(shí)故障率驟升的現(xiàn)象，通常存在A好、B不好，或者B號(hào)，A不好的矛盾現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種機(jī)型唯一區(qū)別就是安裝了不同的排氣凸輪軸，區(qū)分因素包括但不限于凸輪軸種類(lèi)、機(jī)型種類(lèi)、正時(shí)角度等。

4.2冷試排氣測(cè)試對(duì)NVH測(cè)試的影響

根據(jù)一般冷試測(cè)試排氣壓力原理，在測(cè)試過(guò)程中，會(huì)關(guān)閉排氣通道，通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)。此過(guò)程中排氣通道會(huì)接受活塞上行壓縮氣流的不穩(wěn)定的沖擊力，此沖擊力產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)影響到NVH評(píng)估。所以，將排氣和其他測(cè)試步驟設(shè)置在同一測(cè)試工況中會(huì)影響到NVH測(cè)試在該步驟的穩(wěn)定性，所以在設(shè)置NVH測(cè)試工況時(shí)應(yīng)考慮到排氣的影響。上圖2中顯示的是某測(cè)試工況時(shí)長(zhǎng)跨越了進(jìn)氣、排氣2個(gè)步驟，因排氣振動(dòng)的影響，導(dǎo)致了測(cè)試故障率過(guò)高，表現(xiàn)為NVH測(cè)試此工況的故障率明顯高于其他工況。進(jìn)行測(cè)試時(shí)長(zhǎng)縮短，避免排氣測(cè)試的振動(dòng)影響，得到合理的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)。

4.3NVH測(cè)試不能完全依賴(lài)系統(tǒng)限值評(píng)估

在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過(guò)故障模擬機(jī)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)生成的限值對(duì)此故障的檢出并不理想，這與限值生成的方式有關(guān)，例如系數(shù)的不同，會(huì)導(dǎo)致限值與實(shí)際測(cè)試值的距離不一致，會(huì)存在過(guò)高或者過(guò)低的問(wèn)題。而經(jīng)過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)故障與實(shí)際測(cè)試值存在差異，所以可以增加一條人工調(diào)整的限值補(bǔ)充評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。紅色曲線(xiàn)為單一評(píng)估參數(shù)，利用此參數(shù)可區(qū)別出故障機(jī)與正常機(jī)。此參數(shù)在一個(gè)工作周期720°內(nèi)隨角度變化的值，需要在后期利用故障模擬、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等方式進(jìn)行修正。

5結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)下，汽車(chē)已經(jīng)成為陸地交通上最主要的、最普遍的交通工具，隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)于汽車(chē)的需求已經(jīng)不僅僅滿(mǎn)足于代步出行，對(duì)汽車(chē)的各方面性能都提出了更高的要求。車(chē)輛的振動(dòng)噪聲主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)、路面及空氣的流動(dòng)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及車(chē)輛中低速情況下行駛的車(chē)輛，振動(dòng)及結(jié)構(gòu)噪聲的主要貢獻(xiàn)源均為發(fā)動(dòng)機(jī)，所以在常用工況下由發(fā)動(dòng)的振動(dòng)激勵(lì)引起的振動(dòng)噪聲尤其需要重視，文章正是以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭權(quán)，李寶星，翁春生，白橋棟.雙波對(duì)撞模態(tài)下的液態(tài)燃料旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)試研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2017，3804：679-689.

（作者單位：長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司；

河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）