正時鏈條噪聲源識別及嘯叫問題分析

覃海峰　李露露　穆建華

摘 要：本文基于LMS公司的LMS Test. Lab平臺，對某汽油機進行振動噪聲測試。通過一米聲壓級測試及聲學(xué)相機測試，初步判斷噪聲源位置.通過振動測試進一步確認噪聲源位置位于前端蓋正時鏈。階次分析確定優(yōu)化設(shè)計方案。為設(shè)計提供支持依據(jù)。

關(guān)鍵詞：LMS Test.Lab;1m聲壓級;近場聲全息;振動;優(yōu)化設(shè)計

隨著汽車的普及，汽車的NVH性能越來越受到人們的關(guān)注。整車的NVH好壞直接影響駕駛員及乘客的直觀感受，而發(fā)動機噪聲又是整車NVH的關(guān)鍵。一般來說發(fā)動機機械噪聲對整車噪聲貢獻量較大，正時系統(tǒng)噪聲是機械噪聲的一種，具有固定的階次，一般為18～25階，所處的頻率段為2000～4000Hz，是人耳相對敏感的頻率段，當(dāng)正時系統(tǒng)的噪聲存在波動時，將使人耳的主觀感受更加明顯[1]。本文以某汽油機存在的嘯叫問題為出發(fā)點，利用LMS Test.lab軟件對該汽油機進行一米聲壓級測試及聲源定位測試，初步判斷噪聲源位置，通過振動測試確定噪聲源位置。對造成嘯叫故障發(fā)生的可能原因進行全面分析，找到問題根源并制定相關(guān)改進方案。這種對發(fā)動機噪聲的判斷方法步驟適用于其他部件的噪聲分析。

1 異響檢測流程

對于一個異響問題，首先需要確定異響部位，即判斷噪聲源位置。除了主觀的人耳辨別之外，對于一些無法明顯判斷的聲源，則要求我們借助更專業(yè)的設(shè)備采集和分析聲音信號，通過客觀的數(shù)據(jù)去確定噪聲源位置。檢測的過程要先大后小，先確定大總成，后判斷機構(gòu)系統(tǒng)，最后再定位相關(guān)具體零部件。確診之后按照由簡入繁的次序，從零部件質(zhì)量，裝配質(zhì)量，結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面一一排查，直到找到異響產(chǎn)生的根本原因[2]。在考慮成本的情況下，再進行優(yōu)化改進。

本案例問題描述為：1800rpm-3000rpm整車存在一個嘯叫聲。本案例的判斷過程如下：首先通過整車離合器分離和嚙合，異響無變化，排除了變速箱嘯叫的可能。然后通過臺架發(fā)動機1m聲壓級測試結(jié)果，判斷出前端面在2000-4000Hz頻率區(qū)域下聲壓值遠超過其他面的噪聲。通過整車聲源定位相機拍下該頻率段下發(fā)動機的噪聲云圖集中于發(fā)動機前端蓋位置。主觀聽診也初步判斷噪聲源為前端蓋正時鏈條位置。再對前端蓋正時鏈罩蓋位置進行振動測試。測試結(jié)果也證實異響來源為前端蓋正時鏈盒位置。

2 一米聲壓級測試

本文嚴格按照國家GB/T1859-2000（往復(fù)式內(nèi)燃機輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法）標準進行。根據(jù)某發(fā)動機尺寸，采用5個傳聲器布置測量表面聲壓級，分別為進氣側(cè)、排氣側(cè)、前端面、后端面及頂面。具體如圖2所示。

整機聲功率可以描述一臺發(fā)動機的噪聲水平。而通過對比各個面的噪聲聲壓值，可以判斷出對該發(fā)動機整機噪聲貢獻最大的位置。

1m聲壓級測試結(jié)果如圖3所示，WOT工況下，發(fā)動機前端面的瞬時聲壓值明顯高于其他位置，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)相差不大，高轉(zhuǎn)速范圍最高高出5dB左右。

WOT工況下發(fā)動機噪聲Colormap圖顯示為圖4，在高轉(zhuǎn)速工況下出現(xiàn)高分貝噪聲。而在其他測試位置沒有出現(xiàn)高峰值，表明發(fā)動機前端面為發(fā)動機主要噪聲源。

取不同位置的數(shù)據(jù)進行1/3倍頻程分析，在3150Hz的頻帶出現(xiàn)峰值，前端噪聲高于其他面噪聲，見圖5。

3 聲學(xué)相機測試

聲學(xué)相機即麥克風(fēng)陣列，它由多個麥克風(fēng)按照一定規(guī)律排列，通過陣列信號處理方法（如波束形成、beamforming）生成聲音在一個平面上的聲壓級分布，以彩色等高線圖的方式實現(xiàn)聲音的可視化，通過照片或視頻的方式顯示被測物的聲音分布。聲學(xué)相機可用于聲源定位，異音異響測試和軌跡追蹤定位等。

為進一步確認噪聲源位置，采用近場聲全息法對搭載在整車上的發(fā)動機進行測試。加速工況下，聲學(xué)相機定位云圖如圖6所示。高分貝噪聲主要集中在前端面上鏈傳動系統(tǒng)蓋板位置。與1m聲壓級測試結(jié)果符合。表明鏈傳動系統(tǒng)蓋板位置是噪聲源源頭，從而確定了該噪聲源具體位置。

4 振動噪聲測試

為進一步驗證正時鏈罩蓋位置是主要的噪聲源，在正時罩蓋位置加速度傳感器做振動試驗。振動試驗的結(jié)果顯示，在3150Hz頻帶范圍正時罩蓋振動測試結(jié)果也存在一個極高峰值。振動測試的測試結(jié)果與1m聲壓測量數(shù)據(jù)得出結(jié)論一致。因此推斷正時鏈系統(tǒng)存在噪聲問題，見圖7。

對發(fā)動機艙內(nèi)嘯叫聲采樣，嘯叫噪聲colormap如圖8所示，經(jīng)階次分析發(fā)現(xiàn)18，36，54，72階次噪聲明顯，并且在1800-3000rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在由階次引發(fā)的寬頻噪聲。對寬頻濾波后嘯叫聲消失。

在整車的振動測試中，前端蓋上測點的振動與發(fā)動機艙噪聲測試結(jié)果相接近，正時罩蓋鏈系統(tǒng)階次較明顯，且在800Hz及3000HZ附近存在共振帶，見圖9。

判定為18階及其諧次帶來的寬頻噪聲。正時鏈條的齒數(shù)與問題階次相同，為18齒鏈條。因此處理此嘯叫問題需要從正時鏈條著手。

現(xiàn)考慮兩種方案對正時鏈條進行優(yōu)化。方案一：采用低剛度的張緊器去降低正時鏈條張緊力。方案二：用隨機鏈輪代替普通鏈輪，增大正時鏈條張緊力，見圖10，圖11。

兩種方案，都是通過改變張緊力的大小，可以改變整個正時鏈系統(tǒng)的固有頻率。從而使共振帶避開階次線。

5 結(jié)束語

本文利用LMS測試系統(tǒng)對某汽油發(fā)動機嘯叫問題進行振動噪聲測試，初步判斷了主要噪聲源位于發(fā)動機前端蓋位置，由大及小的將問題源頭確定為正時鏈條位置，以某四缸機為試驗樣本，建立發(fā)動機整機噪聲源識別試驗流程。該流程基于一米聲壓級噪聲測試，近場聲全息法和振動試驗法能準確判斷發(fā)動機噪聲源為發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)，能夠找到噪聲值突出頻段，為分析正時鏈條系統(tǒng)振動噪聲產(chǎn)生原因提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。證明了嘯叫是由18階及其諧次與共振帶耦合引起的。后制定兩種方案對該異響進行優(yōu)化解決。具體效果需后續(xù)跟進驗證，本文旨在提出一種異響的解決方法，可適用于發(fā)動機其他關(guān)鍵部件的異響診斷，可以快速、有效、準確的分析出異響產(chǎn)生的原因。

參考文獻：

[1]鄭志強，周岳康，孔毅，彭煒琳.某小型汽油機正時鏈條異響的分析及改進[J].內(nèi)燃機，2011（02）：39-42.

[2]奚佳欣.柴油發(fā)動機正時鏈系統(tǒng)噪聲源識別及振動噪聲特性研究[D].吉林大學(xué)，2015.