馬俊達(dá) 盧小銳 王暉

（華晨汽車工程研究院）

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車的NVH性能已經(jīng)成為汽車性能最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是整機(jī)激勵(lì)振源中最重要的因素之一，不僅能夠引起軸系和機(jī)體的振動(dòng)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)輪系側(cè)主要的噪聲源。文章以某4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，主要介紹了該發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不同的扭轉(zhuǎn)減振器軸系扭振特性的試驗(yàn)測(cè)試，比較曲軸前端扭轉(zhuǎn)角度的變化，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架1 m噪聲試驗(yàn)對(duì)匹配后的噪聲水平進(jìn)行驗(yàn)證，最終滿足目標(biāo)要求[1]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)輪系側(cè)噪聲特征

某發(fā)動(dòng)機(jī)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，NVH性能較差，進(jìn)行1 m噪聲試驗(yàn)（4點(diǎn)法）摸底后與競(jìng)品機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲測(cè)試結(jié)果曲線在3 000～5 500 r/min之間存在“鼓包”，如圖1所示。進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)及頂部的噪聲水平與競(jìng)品機(jī)噪聲水平相當(dāng)，但發(fā)動(dòng)機(jī)前端卻比競(jìng)品機(jī)前端噪聲總聲壓值高出4 dB（A）左右，致使4點(diǎn)平均聲壓級(jí)比目標(biāo)值高1.7 dB（A）左右，其可能是造成NVH水平不滿足目標(biāo)要求的主要原因。

為了找出引起發(fā)動(dòng)機(jī)輪系側(cè)噪聲較大的原因，在發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲室進(jìn)行摸底測(cè)試，試驗(yàn)工況：1）滿負(fù)荷工況下從1 000 r/min勻加速到最高轉(zhuǎn)速；2）滿負(fù)荷工況下穩(wěn)態(tài)4 000，4 500，5 000 r/min。在上述2種工況下，分別測(cè)試正時(shí)罩蓋的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及輪系側(cè)的聲學(xué)照相。

聲學(xué)照相結(jié)果，如圖2所示。在滿負(fù)荷4 000 r/min穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)前端主要噪聲源處于皮帶輪區(qū)域，中心頻率為1 358 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)4 000 r/min以上轉(zhuǎn)速均存在同樣的現(xiàn)象，這說(shuō)明在滿負(fù)荷工況下，隨轉(zhuǎn)速的升高發(fā)動(dòng)機(jī)前端的噪聲源主要以皮帶輪區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，如圖3a所示，從圖3a可以看出，在340 Hz附近存在明顯的共振帶，且Y向最大振動(dòng)加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于附件系統(tǒng)表面振動(dòng)所設(shè)定的目標(biāo)值要求。

工程實(shí)際中要求，曲軸前端扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角位移單階次的目標(biāo)值須小于0.1°，總值不能大于0.2°。從圖3b可以看出，340 Hz處存在明顯的共振現(xiàn)象,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 050 r/min時(shí)，4階在共振頻率的扭轉(zhuǎn)角度幅值增大，最大幅值達(dá)到0.16°不滿足單階次扭振目標(biāo)值。該扭轉(zhuǎn)減振器共振頻率與皮帶張緊器的共振頻率相近，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)會(huì)引起張緊器的振動(dòng)大幅度增大，為了避免張緊器共振現(xiàn)象的發(fā)生需要對(duì)扭轉(zhuǎn)減震器進(jìn)行重新匹配。

2 軸系扭振微分方程

有阻尼強(qiáng)制振動(dòng)多質(zhì)量系統(tǒng)中任意質(zhì)量K處的力系運(yùn)動(dòng)方程，如式（1）所示。

式中：Ik——節(jié)點(diǎn)k的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ck，ck,k+1，ck-1,k——節(jié)點(diǎn)k，k與k+1之間，k-1與k之間的阻尼，N·ms/rad；

kk,k+1，kk-1,k——節(jié)點(diǎn)k與k+1之間，k-1與k之間的剛度，N·ms/rad；

φk，φk+1，φk-1——節(jié)點(diǎn)k，k+1，k-1的扭轉(zhuǎn)角度，（°）；

ω——角速度，rad/s；

ψk——角相位，rad；

t——時(shí)域，s；

Mk——力矩，N·m。

式（1）的矩陣表達(dá)式，如式（2）所示。

式中：I——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣；

C——阻尼矩陣；

K——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

T——激振力矩陣；

φ——角位移向量。

當(dāng)T=0時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)的自由振動(dòng)，計(jì)算結(jié)果包括特征值（固有頻率）及特征向量（振型）；當(dāng)T≠0時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)，計(jì)算結(jié)果包括扭振振幅和軸段扭矩等[2]。I，K，C 的表達(dá)式，如式（3）～（5）所示，其中 I為對(duì)角線矩陣，K為對(duì)稱的三線對(duì)角帶矩陣。

3 扭轉(zhuǎn)減振器匹配分析

選取固有頻率為340，306 Hz兩款減振器分別進(jìn)行扭振測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。在數(shù)據(jù)處理分析中提取第2，4，6，8階次，由于2階受滾振影響較大，滾振屬于低頻、低轉(zhuǎn)速的問(wèn)題，軸系滾振時(shí)其各節(jié)點(diǎn)振幅相等且較大，但不會(huì)在系統(tǒng)的軸段上激起扭振應(yīng)力，所以在評(píng)價(jià)扭振的時(shí)候需要扣除滾振的影響，故重點(diǎn)分析4階和6階[3]。

由圖4a可知，更換固有頻率為340 Hz的減振器后，單階次最大扭轉(zhuǎn)角度均小于目標(biāo)值0.1°；4階在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 400 r/min左右處產(chǎn)生的最大峰值為0.074°；6 階在 3 700 r/min 處峰值為 0.048°；8 階在2 800 r/min處產(chǎn)生的最大扭轉(zhuǎn)角度為0.023°。與原狀態(tài)相比單階次最大扭轉(zhuǎn)角度衰減量達(dá)到0.086°。

由圖4b可知，更換固有頻率為306 Hz的扭轉(zhuǎn)減振器后，在5 000 r/min左右4階最大扭轉(zhuǎn)角為0.065°；6階最大扭轉(zhuǎn)角為0.041°，發(fā)生在4 900 r/min時(shí)493 Hz的共振帶上；8階最大扭轉(zhuǎn)角在2 800 r/min時(shí)也衰減到 0.012°。

綜上，固有頻率為306 Hz的扭轉(zhuǎn)減振器同樣滿足最大扭轉(zhuǎn)角度總值小于0.2°，單階次小于0.1°的目標(biāo)要求，與固有頻率為340 Hz的扭轉(zhuǎn)減振器相比其單階次扭振衰減量增大了0.009°，在工程應(yīng)用中其扭振衰減效果更加明顯[4]。

4 1 m噪聲驗(yàn)證曲線

按照上述分析結(jié)果，選取固有頻率為306 Hz的扭轉(zhuǎn)減振器作為重新匹配后的新減振器安裝在曲軸前端，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架1 m噪聲測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果，如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲水平明顯降低，較優(yōu)化前降低大約2.5 dB（A）。由于4點(diǎn)1 m噪聲中發(fā)動(dòng)機(jī)前端的貢獻(xiàn)量明顯減小，4點(diǎn)平均聲壓級(jí)與優(yōu)化前相比降低了1.9 dB（A），而且略低于目標(biāo)線0.2 dB（A），滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲目標(biāo)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)找出了引起噪聲與目標(biāo)值差異較大的主要噪聲源位置，并經(jīng)過(guò)優(yōu)化驗(yàn)證滿足NVH性能要求。從試驗(yàn)過(guò)程可以看出：1）通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振試驗(yàn)的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)減振器匹配不僅要滿足曲軸系的設(shè)計(jì)要求，更要兼顧扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)整機(jī)噪聲所帶來(lái)的影響；2）鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)輪系側(cè)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，聲學(xué)照相是對(duì)輪系進(jìn)行噪聲源定位的有效方法，有效避免了加速度傳感器和傳聲器測(cè)試過(guò)程受皮帶干擾的影響；3）在曲軸扭振數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，首先要識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的滾振影響，其次要選取有效的階次分別與目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，一般 4 缸機(jī)的階次選擇以 2，4，6，8，10 偶數(shù)階次為主，半階次為輔；4）對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，曲軸扭轉(zhuǎn)減振器的匹配主要關(guān)注了發(fā)動(dòng)機(jī)自由端，但缺乏對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出端的目標(biāo)考核，其動(dòng)力輸出端的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)汽車傳動(dòng)系存在很大影響，應(yīng)予以關(guān)注。