李蓮花

(黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150088)

0 引言

隨著車輛制造技術(shù)的快速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們出行和交通運輸?shù)闹饕ぞ撸谄嚨陌踩?、可靠性、操作便捷性不斷提升的同時，汽車的駕駛舒適性也成為了汽車品質(zhì)的重要考評要素。發(fā)動機是燃油汽車必不可少的動力機械，是汽車行駛和各項功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)保證，與此同時，發(fā)動機也是汽車振動的主要產(chǎn)生源之一。振動是影響駕駛體驗的主要因素之一，如何通過發(fā)動機技術(shù)升級和安裝布局的優(yōu)化減少駕駛過程的振動感知一直是汽車制造企業(yè)的重點研發(fā)工作。隔振技術(shù)作為減少發(fā)動機振動傳遞的有效技術(shù)，是改善汽車整體振動感知的最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段之一，因此，應(yīng)充分利用隔振技術(shù)，實現(xiàn)駕駛體驗的改善提升。

1 發(fā)動機振動相關(guān)研究

近年來，我國的汽車技術(shù)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，汽車發(fā)動機技術(shù)也成為了科研領(lǐng)域的重點工作，除對發(fā)動機機體本身展開大量研究外，針對發(fā)動機的振動特性與隔振技術(shù)也展開了大量的研究。史來鋒等[1]針對發(fā)動機結(jié)構(gòu)輻射噪聲控制進(jìn)行了研究，為降低車內(nèi)NVH值，利用仿真技術(shù)分析了配氣機構(gòu)、活塞連桿機構(gòu)、曲軸飛輪系等因振動產(chǎn)生的激勵，對于通過控制振動特性降低汽車噪音提供了數(shù)據(jù)分析。李康康等[2]針對汽車發(fā)動機橡膠懸置的振動特性展開分析研究，采用動力學(xué)軟件ADAMS及ABAQUS軟件構(gòu)建發(fā)動機橡膠懸置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和有限元模型，對橡膠懸置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使橡膠懸置結(jié)構(gòu)性能得到明顯提升。張曉等[3]針對汽車發(fā)動機機體的振動衰減特性展開研究，利用發(fā)動機機體雙向流固耦合振動衰減有限元模型進(jìn)行了有效的數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行了振動衰減實驗測試驗證，論證了冷卻液的存在對發(fā)動機機體各部位的影響機理與減振效果。董柱賢[4]等針對三缸發(fā)動機平衡特性展開分析，并將平衡特性與懸置技術(shù)進(jìn)行匹配，對懸置剛度進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，利用Newmark-β算法對匹配后的懸置系統(tǒng)進(jìn)行振動響應(yīng)分析，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速下的有效減震，有效改善三缸發(fā)動機扭矩波動大、往復(fù)運動慣性力矩不平衡等振動不利因素，也為其他種類發(fā)動機的隔振技術(shù)提供了改進(jìn)思路。

2 發(fā)動機振動特征

2.1 導(dǎo)致發(fā)動機振動的因素

2.1.1 機械運轉(zhuǎn)振動

發(fā)動機包括眾多機械零件，各個零部件相互配合、協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)才能保證發(fā)動機的基本性能，機械運轉(zhuǎn)也會不可避免地產(chǎn)生振動和沖擊。發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程導(dǎo)致振動的因素包括活塞運轉(zhuǎn)對汽缸產(chǎn)生的摩擦和沖擊；正時鏈條與鏈輪配合運轉(zhuǎn)的嚙合振動；壓縮機運轉(zhuǎn)振動；曲軸扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動；機油泵運轉(zhuǎn)振動；噴油器針閥開閉產(chǎn)生的沖擊；輪系與皮帶摩擦產(chǎn)生的振動；齒輪之間的嚙合振動；起動機運轉(zhuǎn)振動等。機械運轉(zhuǎn)振動的頻率和振幅等參數(shù)受到機械零部件狀態(tài)、配合情況、潤滑情況等多方因素影響。

2.1.2 燃燒做功振動

燃燒做功是燃油發(fā)動機最主要的特征，能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)能向動能的轉(zhuǎn)化，在燃燒做功過程中伴隨著壓力與溫度的快速變化，也會不可避免地產(chǎn)生振動。一方面，當(dāng)可燃油霧點燃的瞬時，汽缸中壓力出現(xiàn)迅速增長趨勢，快速變化的壓力對燃燒室壁和活塞產(chǎn)生沖擊，使汽缸整體的振動增加并向周邊的發(fā)動機零部件擴(kuò)散，引起整體振動的復(fù)雜化；另一方面，燃燒做功是循環(huán)往復(fù)的周期性活動，會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致燃燒做功的頻率增加，頻率的快速增加也會造成燃燒室的剛性振幅擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致發(fā)動機機體的剛性振動更加明顯。

2.1.3 進(jìn)排氣振動

發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程，進(jìn)排氣應(yīng)視為兩個獨立的工序，其產(chǎn)生的振動在形式和特點上也存在一定差異。進(jìn)氣過程產(chǎn)生振動的位置包括進(jìn)氣門、進(jìn)氣歧管、空氣濾清器等部分，由于這些部位的組成零件普遍剛性較大，容易在進(jìn)氣過程因氣流而產(chǎn)生振動；此外，進(jìn)氣過程若空氣質(zhì)量不佳或有雜質(zhì)進(jìn)入，也會造成振動的增加。排氣過程產(chǎn)生振動的因素包括排氣瞬時產(chǎn)生的沖擊、排氣尾管產(chǎn)生的振動、氣流排出時的不均衡產(chǎn)生的振動、剛性結(jié)構(gòu)(如排氣管路)因激勵而產(chǎn)生的振動等。

2.1.4 發(fā)電機振動

發(fā)動機配套的發(fā)電機也是發(fā)動機的主要振動來源之一，由于發(fā)電機在運轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)速很高，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速之間存在3.2～3.5倍左右的差異，當(dāng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在5 000 r·min-1時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000～16 500 r·min-1，在較大的傳動比下，會出現(xiàn)較為明顯的傳動不平衡現(xiàn)象，這種不平衡的狀態(tài)會造成傳動出現(xiàn)明顯的振動問題，同時冷卻風(fēng)扇和冷卻系統(tǒng)的工作量也加大，導(dǎo)致液體流速和氣流速度增加，使振動問題加劇。

2.2 振動規(guī)律

根據(jù)導(dǎo)致發(fā)動機振動的因素分析，可見發(fā)動機的振動主要包括以下幾種形式：1)離心力引起的振動；2)往復(fù)運動造成的沖擊；3)氣體爆燃產(chǎn)生的沖擊；4)氣流或液體流產(chǎn)生的振動，等等。根據(jù)典型振動的特征將振動產(chǎn)生的形式進(jìn)行歸類，如圖1所示?？梢娫诎l(fā)動機運轉(zhuǎn)過程出現(xiàn)的規(guī)律性振動包括周期性振動和非周期性振動兩類，周期性振動包括曲軸、活塞等往復(fù)運動或發(fā)電機轉(zhuǎn)動等產(chǎn)生的振動，這類振動具有明顯的規(guī)律性和周期性特點；非周期性振動包括氣流、液體流產(chǎn)生的不規(guī)律振動等。此外，還包括因零部件制造缺陷、材料選用不合理、老化磨損等原因產(chǎn)生的機械狀態(tài)不理想而造成的振動，這些振動可能不具有明顯的規(guī)律性特征，部分甚至產(chǎn)生敲擊或撞擊等劇烈振動，常常暗示著發(fā)動機存在一定的故障問題。

圖1 振動特征的分類

根據(jù)發(fā)動機運轉(zhuǎn)的主要參數(shù)進(jìn)行分析，利用振動傳感器進(jìn)行發(fā)動機振動狀態(tài)的監(jiān)測，可獲取發(fā)動機在不同工況下的振動數(shù)據(jù)。1)不同轉(zhuǎn)速的下的振動狀態(tài)。發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的振幅及頻率呈現(xiàn)規(guī)律性變化，發(fā)動機在怠速狀態(tài)下，由于運轉(zhuǎn)速度低，轉(zhuǎn)動零件的不平衡性易凸顯，表現(xiàn)為低頻率的高振幅振動；隨著行駛過程轉(zhuǎn)速的增加，沒有故障的發(fā)動機振幅逐漸下降，發(fā)動機產(chǎn)生的振動以高頻小振幅為主，但因頻率增加常出現(xiàn)噪音增大問題。2)加速過程的振動狀態(tài)。加速過程包括均勻加速和急加速兩類，均勻加速的振幅和振動頻率也呈現(xiàn)相對均勻的變化趨勢，只在升擋過程會因轉(zhuǎn)速降低而產(chǎn)生波動，而在急加速過程，由于轉(zhuǎn)速變化快、升擋頻率高，各個振動源的激勵效果更為明顯，尤其在換擋過程易出現(xiàn)明顯的振幅波動。3)減速過程的振動。大部分的減速過程相對平穩(wěn)，振動狀態(tài)變化較均勻，總體上振動頻率逐漸降低，減速至怠速狀態(tài)后振幅相應(yīng)增加。

3 控制振動的有效措施

隨著對汽車發(fā)動機的研究逐漸增多，為減少發(fā)動機振動對駕駛體驗的影響，汽車企業(yè)應(yīng)用多種技術(shù)措施來降低發(fā)動機運轉(zhuǎn)對整車振動的影響，顯著改善了汽車的駕駛品質(zhì)?？傮w上講要降低發(fā)動機振動對駕駛體驗的影響，主要可采取三方面措施：1)減少振動的產(chǎn)生。主要是從優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)、改善發(fā)動機技術(shù)狀態(tài)入手，常見的優(yōu)化形式包括對主要振動件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改善沖擊、運轉(zhuǎn)不平衡等問題，或優(yōu)化進(jìn)氣、排氣、供油等邏輯合理性，減少振動問題的發(fā)生；還可通過優(yōu)化加工制造工藝來提高發(fā)動機零部件的加工精度，提升裝配合理性，也能有效降低運轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的振動。2)合理選擇材料。針對發(fā)動機制造過程的材料選擇進(jìn)行改良，在滿足發(fā)動機使用要求的前提下，優(yōu)先選擇減震效果好的新材料，避免因選擇材料的剛度過高而產(chǎn)生低頻共振問題，分析發(fā)動機運轉(zhuǎn)各個轉(zhuǎn)速的頻率特點，避免材料在某一轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)共振。3)采用隔振技術(shù)。隔振技術(shù)是在發(fā)動機與汽車車架安裝過程采取的一種緩沖吸振技術(shù)，通過安裝隔振裝置降低發(fā)動機向車身傳遞的振動強度，是較容易實現(xiàn)的振動控制措施。

4 隔振技術(shù)的研究與特征

4.1 隔振技術(shù)研究情況

發(fā)動機的隔振技術(shù)應(yīng)用效果受到隔振裝置的材料、形狀、彈性性狀等多方影響，還與安裝形式、安裝位置關(guān)系密切，為進(jìn)一步提升隔振技術(shù)的實際效果，降低由于發(fā)動機振動激發(fā)的車身鈑金件和底盤相關(guān)零件的振動，我國針對汽車隔振技術(shù)展開了大量的研究工作。潘公宇等[7]研究了一種壓電作動器主動懸置模型，并進(jìn)行了整車主動懸置經(jīng)典模糊控制器及雙環(huán)模糊控制器設(shè)計，驗證了雙環(huán)模糊控制器相對于普通懸置隔振技術(shù)的優(yōu)勢，為隔振裝置的升級提供了電控方向新思路；賈富淳等[8]研究了汽車基于動力吸振器的發(fā)動機整機振動控制方法，采用二自由度動力吸振器對汽車發(fā)動機怠速時的整機振動進(jìn)行控制，使發(fā)動機振動傳到車架的能量減少了39%，證實了適當(dāng)增加剛度和阻尼對提高動力吸振器的吸振效果作用明顯。

4.2 隔振技術(shù)的特征

現(xiàn)階段針對汽車隔振技術(shù)的實際應(yīng)用主要包括以下幾種方式：1)利用軟性材料進(jìn)行懸置安裝，材料需能有效減少振動傳遞量且能保證發(fā)動機安裝牽固，不會使發(fā)動機出現(xiàn)明顯的縱向及橫向位移。2)避免共振技術(shù)，多是利用復(fù)合型材料或復(fù)合型結(jié)構(gòu)制造懸置裝置，以避免發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速下的振動頻率引起車體部分薄壁零件的共振。3)適當(dāng)增加車身阻尼，也是利用隔振技術(shù)降低車身共振及振動傳遞的有效方式。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著汽車技術(shù)的不斷提升，汽車的減震技術(shù)應(yīng)用已成為高品質(zhì)汽車生產(chǎn)的必要環(huán)節(jié)，通過監(jiān)測與分析汽車發(fā)動機的振動特征，有利于明確發(fā)動機的振動規(guī)律，從而有針對性地對其進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。從發(fā)動機的發(fā)展史來看，振動控制不僅有利于提升乘坐體驗，還能有效改善發(fā)動機的性能與使用壽命。因此，針對汽車發(fā)動機的振動控制，應(yīng)從優(yōu)化技術(shù)狀態(tài)與改善裝配技術(shù)等多方面入手，并進(jìn)一步提升隔振技術(shù)的有效性，實現(xiàn)乘坐體驗的再次升級。