李志敏，石黃濤，謝小洋

（東風(fēng)柳州汽車有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部，廣西 柳州545005）

0 引言

隨著國家油耗法規(guī)的日趨嚴(yán)厲，不少汽油發(fā)動(dòng)機(jī)通過提高強(qiáng)化程度、適當(dāng)小型化，以降低摩擦從而減少燃油消耗。汽油機(jī)強(qiáng)化程度的提高對(duì)零部件的強(qiáng)度提出了相應(yīng)要求，其中，為提高活塞銷相關(guān)運(yùn)動(dòng)副的壓力承受能力，全浮式活塞銷的應(yīng)用越來越多。然而全浮式活塞銷如果設(shè)計(jì)及制造不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致令人厭煩的異響。隨著消費(fèi)者對(duì)NVH（振動(dòng)噪聲）水平的要求越來越高，消除包括上述異響在內(nèi)的任何形式的噪聲問題，是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中的一項(xiàng)重要任務(wù)。研究及分析影響異響的各種因素并揭示其形成機(jī)理，是不斷提高研發(fā)水平的內(nèi)在要求。

本文主要對(duì)一種汽油機(jī)全浮式活塞銷和連桿小頭配合導(dǎo)致的異響進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析，最后尋求避免異響產(chǎn)生的措施。

1 異響現(xiàn)象描述

活塞銷的異響發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)或者裝車的發(fā)動(dòng)機(jī)上，冷機(jī)怠速條件下，無需儀器檢測(cè)，人耳主觀即能聽到“嗒嗒”聲，機(jī)體的下部或發(fā)動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)減振器端主觀感受最明顯，該異響有以下特征：

（1）主油道機(jī)油溫度＜40℃時(shí)特別明顯，隨著機(jī)油溫度的提高異響逐漸消失；

（2）主油道機(jī)油壓力升高至400 kPa后，異響存在約10 s后消失；

（3）異響發(fā)生在冷機(jī)無負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在700～1 200 r/min范圍無負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，異響特別明顯，轉(zhuǎn)速超過1 200 r/min后逐漸被整機(jī)噪聲掩蓋；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)（機(jī)油溫度＜40℃）條件下被測(cè)功機(jī)倒拖時(shí)，異響也存在。

2 異響測(cè)試方案介紹

異響的分析在半消聲室進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在測(cè)功機(jī)臺(tái)架上，飛輪端通過聯(lián)軸器與測(cè)功機(jī)相連。角標(biāo)儀安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸小頭前端，以檢測(cè)異響發(fā)生的曲軸相位。由于聲音通過缸體傳播，缸體的振動(dòng)信號(hào)即表征聲音特性，振動(dòng)傳感器安裝在缸體上，同時(shí)在對(duì)應(yīng)位置附近裝有麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，采用LMS多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集曲軸位置信號(hào)、聲音信號(hào)和振動(dòng)加速度信號(hào)，以進(jìn)行對(duì)比分析。

3 異響相關(guān)特征分析

圖1中所示是異響發(fā)生時(shí)刻缸體振動(dòng)和曲軸相位關(guān)系的分析結(jié)果，圖中4條豎直方向的標(biāo)記線分別為1-3-4-2缸點(diǎn)火上止點(diǎn)；從聲音信號(hào)的分析可以看出，異響頻率成分主要能量都在各缸點(diǎn)火上止點(diǎn)前約25～30°CA，部分測(cè)點(diǎn)在點(diǎn)火上止點(diǎn)后約25～30°CA處也有一定能量。

圖1 異響對(duì)應(yīng)的下缸體振動(dòng)特性分析結(jié)果

圖2 所示是異響對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)的頻率分析結(jié)果，從信號(hào)的頻率分析可以明顯發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)有“嗒嗒”異響綠線數(shù)據(jù)在2 000～4 800 Hz頻帶內(nèi)明顯高于無異響時(shí)的數(shù)據(jù)，異響的中心頻率有3 000 Hz和4 700 Hz。在實(shí)際分析中，用濾波器過濾掉2 000～4 800 Hz的頻帶后，異響消除。

圖2 異響對(duì)應(yīng)的缸體下部振動(dòng)信號(hào)頻率特性

從以上分析結(jié)果可以表明，此種全浮式汽油機(jī)活塞銷和連桿小頭配合導(dǎo)致的異響，其信號(hào)具有兩個(gè)明顯特征：

1）異響發(fā)生在各缸點(diǎn)火上止點(diǎn)前約25°～30°，部分發(fā)生在點(diǎn)火上止點(diǎn)后約25°～30°處；

2）異響的頻率分布主要在2 000 Hz～4 800 Hz范圍內(nèi)。

4 影響異響的因素試驗(yàn)分析

為分析研究導(dǎo)致活塞銷與連桿小頭異響形成的因素及其影響大小，針對(duì)可能導(dǎo)致異響的因素，設(shè)計(jì)了6種試驗(yàn)方案，每個(gè)試驗(yàn)方案僅僅改變其中一些變量，以評(píng)估其影響。方案1對(duì)活塞銷進(jìn)行了改動(dòng)，活塞銷相對(duì)初始設(shè)計(jì)提高了約10%的彎曲剛度；方案2中對(duì)活塞銷的表面粗糙度進(jìn)行了改動(dòng)，表面粗糙度從Rz0.7變成Rz0.5；試驗(yàn)方案3中增大了活塞銷和連桿小頭之間的配合間隙，在原始設(shè)計(jì)方案的間隙值上限基礎(chǔ)上再增加6μm；試驗(yàn)方案4對(duì)連桿小頭的襯套進(jìn)行了改動(dòng)，在連桿小頭上增加了“一”形的儲(chǔ)油槽；試驗(yàn)方案5在連桿小頭襯套上增加了V形儲(chǔ)油槽；試驗(yàn)方案6在連桿小頭襯套上增加了V形儲(chǔ)油槽的同時(shí)，在原始設(shè)計(jì)方案的間隙值上限基礎(chǔ)上再增加6μm。圖3展示了“一”形的儲(chǔ)油槽和V形儲(chǔ)油槽的連桿小頭外觀。

圖3 “一”形的儲(chǔ)油槽和V形儲(chǔ)油槽的連桿小頭外觀

上述試驗(yàn)方案通過逐一換件的方式依次更換到同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)分析，每次試驗(yàn)僅采用其中一種方案，發(fā)動(dòng)機(jī)其它條件及試驗(yàn)條件不改變。方案及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 零件改變措施及試驗(yàn)結(jié)果

通過分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅僅通過改變活塞銷的剛度（方案1），對(duì)異響幾乎沒有影響。同樣，僅僅通過提高活塞銷表面的粗糙度，對(duì)異響幾乎也沒有任何影響（方案2）?；钊N與連桿小頭間隙在原設(shè)計(jì)間隙值上限基礎(chǔ)上增加6μm后（方案3），異響消失，表明異響對(duì)配合間隙很敏感。在連桿小頭的襯套上增加“一”形油槽（方案4）或者V形油槽（方案5）改善潤滑后，異響都消失，表明潤滑是影響異響的關(guān)鍵因素。然而，如果在連桿小頭增加V形油槽的同時(shí)，配合間隙在原設(shè)計(jì)間隙值上限基礎(chǔ)上增加6μm（方案6），異響重現(xiàn)，表明即使設(shè)計(jì)了儲(chǔ)油槽，但是配合間隙過大也會(huì)造成異響。

另外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，連桿小頭襯套增加V形儲(chǔ)油槽，且配合間隙在原設(shè)計(jì)間隙值上限基礎(chǔ)上增加6μm（方案6），其異響的中心頻率降低為2 000 Hz，但異響未消失。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 配合間隙在原設(shè)計(jì)間隙值上限基礎(chǔ)上增加6μm測(cè)試結(jié)果

通過上述現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果比較及分析，可以分析得到以下結(jié)論：

1）活塞銷的剛度提高，外表面的粗糙度減小對(duì)異響無明顯影響；

2）在原始設(shè)計(jì)的活塞銷-連桿小頭配合間隙值上限的基礎(chǔ)上增加配合間隙，也可以消除異響；

3）連桿小頭增加了儲(chǔ)油槽可以消除異響，但間隙增加后異響重現(xiàn)，異響頻帶中心頻率下移；

4）異響對(duì)活塞銷與連桿間的配合間隙大小很敏感；

5）異響對(duì)機(jī)油溫度敏感；

6）異響對(duì)機(jī)油壓力敏感。

5 異響的成因及機(jī)理分析

關(guān)于活塞銷與連桿小頭配合導(dǎo)致的異響，不少文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了研究[1-4]。Nasser Moshrefi對(duì)其進(jìn)行了研究和分析[1]，指出活塞銷和連桿小頭的異響有兩個(gè)影響因素：活塞銷和連桿小頭的間隙大小、活塞銷與連桿小頭間隙的形狀。張貴強(qiáng)等對(duì)某汽油機(jī)熱機(jī)怠速活塞銷與連桿小頭敲擊異響問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2]，指出活塞銷與連桿小頭的敲擊異響對(duì)間隙很敏感，并通過改善連桿小頭潤滑的方式，消除了異響。

左正興等[3]對(duì)半浮式活塞銷噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究，通過對(duì)活塞連桿組活塞銷軸承的混合潤滑進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，指出活塞銷噪聲主要來自于活塞銷與連桿小頭襯套間的碰撞，且活塞銷噪聲在其受到的活塞銷座作用力方向的反轉(zhuǎn)時(shí)刻附近發(fā)生；且證明了活塞銷與連桿小頭襯套間隙越大、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，活塞銷與小頭襯套間的碰撞越激烈，活塞銷噪聲越大。

王丹丹[4]等對(duì)連桿襯套的間隙、表面粗糙度、襯套材料、連桿襯套硬度、活塞銷圓柱度等方面影響因素進(jìn)行了分析，確認(rèn)活塞銷圓柱度超差會(huì)造成活塞銷與連桿產(chǎn)生噪聲。

結(jié)合本文試驗(yàn)分析情況，作者試圖對(duì)活塞銷和連桿小頭的異響的形成機(jī)理進(jìn)行分析。全浮式活塞銷和連桿小頭的配合，在確保兩者的圓柱度合理的情況下，由于兩者之間間隙的存在，在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，活塞銷相對(duì)于連桿小頭有軸向串動(dòng)和繞軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，活塞銷在活塞傳遞的慣性力和缸內(nèi)氣體壓力等因素的共同作用下，在徑向有相對(duì)于連桿小頭中心的振動(dòng)。活塞銷和連桿小頭之間不是完全的流體潤滑狀態(tài)，可能存在混合潤滑、干摩擦狀態(tài)的情況，因此，油膜的形成與否，決定了異響的存在與否，如果形成了油膜，活塞銷和連桿小頭之間不是直接金屬接觸，屬混合潤滑，不產(chǎn)生異響，如果不能形成油膜，則活塞銷在其受到的連桿小頭作用力方向的反轉(zhuǎn)時(shí)刻附近（各缸點(diǎn)火上止點(diǎn)前或上止點(diǎn)后約25～30°CA），活塞銷沿徑向運(yùn)動(dòng)，直接敲擊連桿小頭形成干摩擦，金屬間的直接撞擊產(chǎn)生了在2 000～4 800 Hz頻帶內(nèi)的“嗒嗒”異響。在混合潤滑、干摩擦的邊界潤滑狀態(tài)，油膜不穩(wěn)定，所以異響仍然存在，但是由于潤滑條件相對(duì)于干摩擦情況而言有改善，異響的中心頻率下降。

活塞銷與連桿配合運(yùn)動(dòng)副，兩者的圓柱度、配合間隙大小、是否有改善潤滑的設(shè)計(jì)，決定了運(yùn)動(dòng)副在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中處于混合潤滑、邊界潤滑、干摩擦3種狀態(tài)中的哪一種。

拆檢存在“嗒嗒”異響的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)連桿小頭襯套上有灼燒及磨損的痕跡，表明活塞銷和連桿小頭存在干摩擦的情況，證實(shí)了上述的推斷。圖5展示的是存在異響的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后的連桿小頭外觀。

圖5 存在異響的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后的連桿小頭外觀

因此，可以解釋全浮式活塞銷與連桿小頭異響的現(xiàn)象，及前文4影響異響的因素試驗(yàn)分析中所得到的結(jié)果。

對(duì)于連桿小頭沒有儲(chǔ)油槽的設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)圖紙及技術(shù)條件確定后，活塞銷與連桿小頭配合的間隙值、機(jī)油牌號(hào)是確定的。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，機(jī)油溫度隨時(shí)間變化，粘度也隨之變化。在機(jī)油溫度低的時(shí)候（冷機(jī)怠速），相對(duì)于粘度，如果配合間隙與此刻溫度條件下的機(jī)油粘度適合，機(jī)油容易進(jìn)入連桿小頭與活塞銷的運(yùn)動(dòng)副之間，形成油膜，潤滑條件良好，活塞銷與連桿小頭不存在直接接觸，沒有撞擊，不產(chǎn)生異響。如果間隙過小，機(jī)油難以進(jìn)入連桿小頭與活塞銷的運(yùn)動(dòng)副之間，形成不了油膜，異響產(chǎn)生。同樣條件下，機(jī)油壓力升高至400 kPa以上，由于飛濺的機(jī)油量增大，增加了機(jī)油進(jìn)入活塞銷與連桿小頭之間的機(jī)會(huì)，潤滑改善，形成混合潤滑，異響消失。

同樣可以解釋試驗(yàn)方案6中異響的現(xiàn)象，相對(duì)于機(jī)油粘度，活塞銷和連桿小頭的配合間隙過大，雖然潤滑油很容易進(jìn)入到運(yùn)動(dòng)副中，但是由于流失速度也快，油膜雖然能形成，但屬于邊界潤滑狀態(tài)，不穩(wěn)定，金屬間直接敲擊，也存在異響，但是由于潤滑條件相對(duì)于干摩擦情況而言有改善，異響的中心頻率下降至2 000 Hz。文獻(xiàn)[2]中描述的也是類似情況。

6 活塞銷和連桿小頭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果及異響產(chǎn)生的機(jī)理分析，可以得到避免全浮式活塞銷與連桿小頭產(chǎn)生異響的設(shè)計(jì)措施：

1）連桿小頭設(shè)計(jì)有儲(chǔ)油槽或其它改善潤滑的特征；

2）適當(dāng)大小的活塞銷與連桿小頭配合間隙；

3）連桿小頭和活塞銷圓柱度處于合理范圍。

7 總結(jié)

本文對(duì)汽油機(jī)全浮式活塞銷和連桿小頭配合的異響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了配合間隙、活塞銷剛度、活塞銷粗糙度、機(jī)油壓力、儲(chǔ)油槽等因素對(duì)噪聲的影響。分析了異響的聲音特征，并對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了避免全浮式活塞銷和連桿小頭異響的運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。