傅鷺鳴

摘要：文章論述了渦輪增壓器壓氣機(jī)產(chǎn)生氣動脈沖噪聲的根源及機(jī)理，提出了在高速核芯動平衡機(jī)上進(jìn)行核芯體氣動脈沖噪聲預(yù)測量的必要性和缺陷，給出改進(jìn)方案增加氣動脈沖噪聲測量的有效性。

Abstract： This paper explains the causes and mechanism of the turbocharger compressor aerodynamic noises. The pulsation noise pre-inspection necessity and defect on High Speed Core Balancing machine been put forward， and research a better tooling design to get effective pulsation test.

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;氣動脈沖噪聲;機(jī)理

Key words： turbocharger;aerodynamic pulsation noise;mechanism

中圖分類號：U448.213? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0001-03

0? 引言

在國內(nèi)乘用車市場，隨著碳排放國六標(biāo)準(zhǔn)的提出，為了改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放，渦輪增壓技術(shù)成為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然選擇，對汽油機(jī)渦輪增壓器的需求日益增加。汽油機(jī)渦輪增壓器的工作條件較為苛刻，工作轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到30萬轉(zhuǎn)/分鐘，高速轉(zhuǎn)動引起振動和氣動噪聲等一系列問題，嚴(yán)重影響車輛的乘坐舒適性。因此，近年來渦輪增壓器噪聲問題得到了關(guān)注。由于渦輪增壓器引起的噪聲種類多樣且機(jī)理復(fù)雜，其中壓氣機(jī)葉輪引起的氣動噪聲是眾多增壓器噪聲中主要噪聲的一種。在未完全裝配成增壓器總成之前，如何進(jìn)行壓氣機(jī)氣動噪聲的預(yù)判是一個較困難的問題。本文針對如何鑒別增壓器核芯轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)氣動噪聲的問題進(jìn)行研究，擬應(yīng)用高速核芯動平衡的預(yù)測量方法改進(jìn)并提出檢測對策。

1? 壓氣機(jī)氣動噪聲產(chǎn)生的原因

渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。渦輪增壓器由渦殼引入發(fā)動機(jī)廢氣作為動力驅(qū)動渦輪，由渦輪帶動壓氣機(jī)葉輪吸入外界新鮮空氣送入發(fā)動機(jī)幫助燃油充分燃燒，提高發(fā)動機(jī)輸出功率。隨著轉(zhuǎn)速的逐步提高，渦輪增壓器會產(chǎn)生一種與轉(zhuǎn)速同步的嘯叫聲，噪聲頻率隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速增加而提高。這種噪聲被稱為渦輪增壓器同步噪聲，包括同步振動噪聲和同步脈沖噪聲。同步振動噪聲屬于結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲，可通過高速核芯動平衡降低或消除同步振動噪聲。同步脈沖噪聲屬于空氣動力噪聲，一般由于壓氣輪制造加工誤差造成壓氣輪旋轉(zhuǎn)時，渦輪增壓器中的氣流產(chǎn)生周期性波動引起的氣流脈沖噪聲，主要通過進(jìn)氣管路以及整車進(jìn)氣口進(jìn)行噪聲傳播[1，2]。

溫華兵，桑晶晶等人的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速對渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動噪聲的影響更大[3]。覃玄等人的研究則表明，葉輪尾緣處噪聲的大小反映出整個壓氣機(jī)噪聲的大小[4]。本文主要針對壓氣輪葉尖跳動超差時，研究在高速核芯動平衡機(jī)上的脈沖測量方法。

2? 噪聲測量方法及原理

高速核芯動平衡機(jī)的脈沖測量工裝如圖2所示，主要由壓殼工裝本體、內(nèi)部流道、曲面環(huán)（與葉輪型線配合，內(nèi)孔與葉輪葉片保持一定間隙）、脈沖出氣管、脈沖傳感器等部分組成。

渦輪增壓器高速核芯動平衡機(jī)通過渦輪端壓縮空氣吹動渦輪部件，帶動壓氣輪一起達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。在升速過程中，測量中間體的振動加速度，可得到對應(yīng)的g值以供動平衡修正做參考。脈沖測量是通過接在壓殼工裝脈沖管上的壓力傳感器，采集高速核芯動平衡機(jī)壓端出氣口的氣流壓力變化，將經(jīng)過傳感器的最大壓力定為允許脈沖值。通過在高速核芯動平衡機(jī)上設(shè)定g值和脈沖允許值（單位Pa）進(jìn)行動平衡修正和脈沖預(yù)測量攔截達(dá)到降噪的要求。

3? 噪聲測量方案及測量結(jié)果

溫華兵和覃玄[3，4]研究發(fā)現(xiàn)，壓氣輪的葉型變化、葉尖彎曲、葉片邊緣毛刺、葉尖高度差、葉尖跳動超差等會造成壓氣輪的同步脈沖嘯叫。

目前主流噪聲測量是通過冷試設(shè)備進(jìn)行增壓器總成的同步振動噪聲測試和同步脈沖噪聲測試，測試結(jié)果較全面和準(zhǔn)確。但缺點(diǎn)是總成產(chǎn)品出現(xiàn)問題需要拆解、返工，增加了生產(chǎn)成本及返修風(fēng)險。因此若能在核芯動平衡工序設(shè)定脈沖允許值，對壓氣輪葉尖跳動或葉尖高度超差的產(chǎn)品進(jìn)行脈沖噪聲預(yù)測量具有重要的工程意義。葉片彎曲、葉片邊緣毛刺和葉片葉型問題在高速核芯動平衡機(jī)不平衡量和脈沖測試中均較容易識別，也可通過目視檢查進(jìn)行攔截。

葉尖高度差過大或葉尖跳動超差產(chǎn)品無法用肉眼識別，必須通過光學(xué)量儀進(jìn)行全檢才能發(fā)現(xiàn)，不具備可操作性。

脈沖噪聲預(yù)測量方案，使用原裝曲面環(huán)和如圖3所示的通用脈沖管進(jìn)行葉尖跳動超差件的測量。脈沖允許值一般設(shè)為120Pa。

經(jīng)過20次測量，得到如圖4所示的測量結(jié)果。由圖4可以知，脈沖壓力的測量值在39～78Pa之間變化，均小于允許脈沖值120Pa。

但是在整車上體現(xiàn)為脈沖嘯叫，說明脈沖測量無法有效分辨葉尖跳動超差產(chǎn)品。

4? 噪聲測量的影響因素

高速核芯動平衡機(jī)壓端曲面環(huán)的內(nèi)孔設(shè)計是為了防止葉輪轉(zhuǎn)子因核芯體初始動平衡量太大而擦殼，與葉片的間隙設(shè)計比，實際增壓器中壓殼內(nèi)孔與葉輪的間隙大。這個間隙越大，則增壓壓比越低，測得的氣動噪聲也越低。所以，縮小曲面環(huán)與葉輪的間隙是加強(qiáng)脈沖測量結(jié)果的重要影響因素。

脈沖傳感器的脈動壓力測量值由壓氣機(jī)氣流的聲波壓力決定。聲波一般為正弦波，有波峰和波谷，即聲波的低壓區(qū)和高壓區(qū)。當(dāng)壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時，聲波經(jīng)過脈沖管中的脈沖壓力傳感器位置時，若低壓區(qū)正好經(jīng)過，則測量結(jié)果會明顯偏弱，只有當(dāng)高壓區(qū)經(jīng)過壓力傳感器位置時，才能測得最大脈沖值，說明可通過調(diào)整傳感器安裝位置改善脈沖測量。

5? 噪聲測量方法的改進(jìn)研究

5.1 曲面環(huán)位置的調(diào)整

曲面環(huán)的位置影響壓氣機(jī)葉輪出氣口的氣流流速與流量，通過在曲面環(huán)背后增加特制尺寸墊片的方式縮小曲面環(huán)與葉輪的間隙，以達(dá)到增加出氣口壓力的目的。設(shè)計了兩款墊片，分別調(diào)整間隙至0.50mm和0.25mm進(jìn)行試驗，對葉尖跳動超差核芯體進(jìn)行測試，每組測量20遍，得到圖5所示的測量結(jié)果曲線。

由圖5數(shù)據(jù)可看出，曲面環(huán)與葉片的間隙越小，脈沖值越大。原始位置和0.50mm間隙位置的數(shù)據(jù)一致性較好，但0.25mm間隙的數(shù)據(jù)波動大不穩(wěn)定。同時，由于0.25mm的間隙接近實際增壓器壓殼與葉輪的間隙，核芯體屬于撓性轉(zhuǎn)子，未做動平衡的產(chǎn)品若初始量較高，測量時葉輪或渦輪會大幅甩動，產(chǎn)生擦殼而造成工裝和產(chǎn)品損壞，故不建議將曲面環(huán)調(diào)整到0.25mm間隙或更小間隙位置。

5.2 脈沖管的設(shè)計及調(diào)整

通用脈沖管的脈沖傳感器位置固定，出氣孔位置在脈沖傳感器后段?，F(xiàn)有出氣孔閥片是圓盤片鉆有特定直徑孔，這種通用脈沖管的設(shè)計無法準(zhǔn)確區(qū)分不同產(chǎn)品脈沖波動的變化，由于不同產(chǎn)品聲波不同，若傳遞的波峰未經(jīng)過脈沖傳感器的位置，則測量數(shù)值將會變?nèi)酢?/p>

改進(jìn)設(shè)計后的脈沖管結(jié)構(gòu)如圖6所示，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠調(diào)整傳感器和出氣孔閥片相對位置。

圖6改進(jìn)后的脈沖管，在脈沖管上打出交錯排列的兩組傳感器位置孔，每組3個相互交叉程90°。出氣孔閥片位置可在脈沖傳感器前后位置調(diào)整。出氣孔閥片為圓盤片帶孔，可將聲波反彈回傳感器位置產(chǎn)生聲波的疊加或削弱，通過調(diào)整傳感器和閥片的相互位置，使經(jīng)過傳感器位置的波峰疊加得到強(qiáng)化的脈沖值。

5.3 對比試驗

選取六個零件，3件合格，3件葉尖跳動超差值不同的產(chǎn)品。用原脈沖管進(jìn)行試驗，每個零件各測試10遍，得到如圖7所示的脈沖曲線圖。

從圖7中可以看出，第4、5、14為合格件，6、7、15為超差件。測試結(jié)果14號件與6、7號件曲線重疊，無法進(jìn)行有效識別。

測試零件不變，更換改進(jìn)后的脈沖管，調(diào)整脈沖傳感器與出氣孔閥片位置，進(jìn)行上述相同的測量，得到圖8所示的脈沖曲線圖。

圖8中可見，區(qū)別最明顯的是脈沖傳感器1號位置和出氣孔閥片3號位置。6、15號產(chǎn)品均能有效的與14號產(chǎn)品拉開差距，與其他好產(chǎn)品之間的差距更明顯。第7號產(chǎn)品葉尖跳動值為0.08mm;第6號跳動值為0.13mm;第15號跳動值為0.21mm（合格值要求≤0.05mm）。可見當(dāng)脈沖傳感器1號位置和出氣孔閥片3號位置時可檢測葉尖，跳動值≥0.13mm的產(chǎn)品。當(dāng)葉尖跳動超差范圍在0.05～0.13之間時，高速核芯動平衡機(jī)無法準(zhǔn)確有效的判別。但圖8中顯示6、7、15號件在轉(zhuǎn)速60000～80000轉(zhuǎn)范圍內(nèi)（Peak 1）與其他產(chǎn)品拉開距離?？赏ㄟ^大批量生產(chǎn)驗證，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終決定是否可在此轉(zhuǎn)速段增加脈沖公差要求以區(qū)分葉尖跳動超差較小的產(chǎn)品。

對葉片彎曲或缺損的產(chǎn)品，也使用新的脈沖管做了相應(yīng)測試。結(jié)果見表1。SP為脈沖傳感器位置，OP為出氣孔閥片位置。

表1數(shù)據(jù)顯示，在SP1號和OP3號位置同樣得到脈沖最大值。說明此組位置可有效判別壓氣輪葉片彎曲、葉尖跳動超差0.13mm以上的不良產(chǎn)品。

6? 結(jié)論

通過對脈沖管的改造和曲面環(huán)位置調(diào)整的研究，可知高速核芯動平衡機(jī)進(jìn)行脈沖超差預(yù)測量有一定局限性，總結(jié)如下：

①高速核芯動平衡機(jī)可以通過調(diào)整脈沖傳感器和出氣孔閥片位置測出部分葉尖跳動超差較大的產(chǎn)品。

②曲面環(huán)位置的調(diào)整可以加大脈沖值，但需謹(jǐn)慎，避免擦殼風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華，等.汽車噪聲與振動[M].北京理工出版社，2006.

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[3]溫華兵，桑晶晶，劉紅丹，楊興林.渦輪增壓器壓氣機(jī)的氣動噪聲源特性研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2014，4（05）：87-92.

[4]覃玄.渦輪增壓器壓氣機(jī)氣動噪聲分析[D].哈爾濱工程大學(xué)，2015.