靳文冰 李青林 趙雨雷 廉晶晶 孫晨

摘要：本文針對(duì)某車怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)理，而后對(duì)實(shí)車噪音結(jié)合主觀評(píng)價(jià)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(yàn)分析證實(shí)該噪聲為氣門敲擊缸體所致，進(jìn)而提出了調(diào)整氣門間隙的改善措施。最后，對(duì)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(guān)鍵詞：氣門敲擊聲;頻譜分析;聲回放;表面聲源成像

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：TB53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（ 2018） 02-0084-05

1 引言

消費(fèi)者對(duì)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(fèi)者對(duì)車輛靜音性和聲品質(zhì)的第一印象，是停車等待時(shí)車內(nèi)環(huán)境舒適性的直接體驗(yàn)。研究表明怠速時(shí)來自發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲源貢獻(xiàn)量達(dá)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(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的核心部件，在復(fù)雜受力及高速運(yùn)轉(zhuǎn)作用下，氣門不斷敲擊發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)致了所有凸輪從動(dòng)件的加速度迅速增大，使整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的沖擊加劇，從而產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲。所以，提高配氣機(jī)構(gòu)的工作性能和降低配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)及噪聲是相互矛盾的。因此，有必要弄清配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，找出其主要的振動(dòng)和噪聲源。

本文針對(duì)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(duì)性地提出了改善措施。試驗(yàn)證明，合理地調(diào)整進(jìn)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(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門敲擊聲研究人員通過主觀評(píng)價(jià)確認(rèn)了該問題表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門敲擊噪聲，車內(nèi)和車外均很突出。

為了進(jìn)一步明確問題，如圖1所示，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋上端和殼體處布置一個(gè)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(dòng)的頻譜特征。利用HEAD公司的聲回放系統(tǒng)圖2，進(jìn)行原始信號(hào)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(jì)權(quán)聲壓級(jí)FFT云圖。

2.2試驗(yàn)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(jí)（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(dòng)機(jī)缸體本身的固有頻率特性。如圖4所示，在缸體上布置一個(gè)加速度傳感器，用力錘分別敲擊進(jìn)氣門和節(jié)氣門頂部，測量二者之間的振動(dòng)傳遞函數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

振動(dòng)傳遞函數(shù)測試結(jié)果顯示，1、2、3、4缸的進(jìn)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(duì)應(yīng)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(shí)，氣門敲擊聲問題是由氣門落座時(shí)敲擊缸體所致。至此可明確，缸體在氣門敲擊力作用下振動(dòng)，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(lì)水平，也就是減小氣門落座力;二是改變響應(yīng)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(lì)力。

3 改善措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了改善氣門落座產(chǎn)生的激勵(lì)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(duì)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(huì)隨著氣門間隙的增大而增大圖7。文獻(xiàn)指出，隨著氣門間隙的增大，氣門開啟和關(guān)閉點(diǎn)后移，氣門升程下降，除了不利于進(jìn)氣效率，氣門開啟點(diǎn)和關(guān)閉點(diǎn)的變化會(huì)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(shí)，氣門間隙過大還會(huì)使得氣門落座的速度變大，甚至導(dǎo)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(huì)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(jìn)而有利于減弱激勵(lì)水平和輻射噪聲的能量，達(dá)到改善氣門敲擊音的目的。

3.1改善措施

考慮問題車的實(shí)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(jìn)氣門和排氣門間隙。通過調(diào)整挺柱的精加工尺寸，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門間隙的精確控制，安裝后用塞尺測量實(shí)際狀態(tài)的間隙值，將調(diào)整前后的實(shí)測間隙值列于表1。進(jìn)氣門和節(jié)氣門間隙分別相對(duì)調(diào)整前較少23%和16%。

3.2改善效果驗(yàn)證

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

對(duì)比改善前后的輻射噪聲，1.2kHz-2.4kHz問題頻率下A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)顯著降低，調(diào)整氣門間隙后，問題頻率段（切片）的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)降低達(dá)9dB（A），改善效果顯著。相應(yīng)的輻射表面的振動(dòng)加速度級(jí)也略有降低圖9。

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

綜上所述，氣門室罩蓋的近場輻射A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)FFT云圖及聲強(qiáng)成像的結(jié)果一致性地表明，調(diào)整進(jìn)排氣氣門間隙后，問題車的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門敲擊聲的改善效果明顯。

4結(jié)語

本文針對(duì)某車怠速時(shí)出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步，利用錘擊法對(duì)缸體和氣門整體進(jìn)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(shí)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(lì)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(yàn)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(jì)權(quán)聲壓級(jí)降低達(dá)9dB（A）。