柴油機正時系統優化對低頻噪聲改善的研究

孫立永　李　樂　孫　璇　屈偉　尚　運　蔡永慶（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

柴油機正時系統優化對低頻噪聲改善的研究

孫立永1，2李樂1，2孫璇1，2屈偉1，2尚運1，2蔡永慶1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

為改善某四缸增壓柴油發動機的NVH（Noise Vibration and Harshness），通過優化正時系統進行臺架效果驗證，結果表明：優化正時系統罩蓋，調節皮帶張緊力，增加惰輪對整機低頻噪聲改善效果明顯。

柴油機NVH正時系統優化

引言

隨著乘用車油耗法規逐年加嚴的趨勢，且在“單車油耗限值”基礎上引入了“企業平均油耗”評價體系。為貫徹落實2015年與2020年乘用車企業平均燃油油耗量為6.9 L/100 km和5.0 L/100 km的目標，柴油機便凸顯出其得天獨厚的優勢。但柴油機振動及噪聲大等缺陷也使得用戶對柴油機的駕駛舒適感評價較低，本文針對柴油機振動以及噪聲的改善進行研究，最大限度減小柴油機的缺陷。

以某柴油發動機臺架及搭載SUV整車測試以及用戶駕駛體驗評價為背景，對某柴油機噪聲進行評價發現：柴油發動機在正時存在“隆隆”聲異響。

本文以改善此柴油發動機正時“隆隆”噪聲為目標進行研究。

1　研究對象與試驗裝置及環境要求

本文所涉及的研究對象為：2.0 L雙頂置凸輪軸單級渦輪增壓柴油機，最大功率及相應轉速為120 kW/（4 000 r/min），最大扭矩及相應轉速為350 N·m/（1 600 r/min～2 800 r/min）。

試驗測試設備及測試環境要求：設備包含信號采集系統采用LMS Test.lab中Signature測試系統及SCADAS Mobile數采前端、1/2 in麥克風（ICP）具備I級精度、聲校準器（采用94 dB、1000 Hz或114 dB、251.2 Hz）及光電轉速傳感器（要求采集轉速和發動機實際轉速誤差在±2%）。發動機整個噪聲測試過程在發動機半消音室或整車半消音室中進行，消音室需具備冷卻水恒溫系統和燃油恒溫系統的AVL電力測功機試驗臺且內部基礎噪聲低于被測噪聲10 dB，試驗室環境要求溫度20℃～30℃，相對濕度小于60%，如圖1所示。

2　正時異響問題描述及機理分析

正時系統用于保證從動軸和主動軸之間的準確正時。齒形皮帶傳動的正時系統常見于凸輪軸頂置的發動機，對于減少噪聲，減輕結構質量，降低成本非常有利［1］。本柴油發動機中采用齒形帶傳動正時系統，正時系統布置如圖2所示。主要由凸輪軸帶輪、曲軸帶輪、燃油泵帶輪、張緊輪以及水泵惰輪組成。

圖1　發動機半消音室示意圖

圖2　正時系統布置示意圖

一般來說，旋轉機械各零部件有其固有頻率或特征頻率，當受到周期性、沖擊性或者隨機性激勵時，形成各種受迫振動或自由振動（固有振動），擾動周圍的空氣介質從而形成機械噪聲［2］。

此柴油發動機正時存在類似“隆隆”聲異響問題，隆隆聲是一種較典型的因皮帶顫動而發出的聲音。尤其在輔助機構傳動系統負載工作，且發動機達到一定轉速時，噪聲會明顯增大［3］，為進一步分析顫動位置，展開NVH臺架測試，數據分析鎖定“隆隆”噪聲頻率段為225 Hz和250 Hz，詳見圖3，對應在正時系統上的顫動端如圖4所示。結合該發動機正時系統布置，最終鎖定該異響聲源為正時皮帶擾動正時腔內氣體，皮帶本身固有頻率與皮帶擺動頻率調制所形成的噪聲。

圖3　正時異響測試分析結果示意圖

圖4　優化前正時系統布置示意圖

3　改善方案NVH測試驗證

根據正時異響產生機理，制定3種改善方案。

3.1正時罩蓋結果優化方案驗證

對于隔噪來說，最簡便的方法是對正時系統增加一個罩蓋，但研究表明：罩蓋在一定程度上放大了低頻噪聲，但對噪聲趨勢沒有影響。可以通過在罩蓋上打孔的方式來平衡該矛盾，但存在的問題是會削弱其對高頻噪聲的隔離能力，同時打孔之后罩蓋的固有頻率也會改變，必須控制罩蓋的固有頻率使其高于發動機的振動頻率，以免產生共振［1］。為改善正時皮帶工作時擾動正時腔內氣體，將正時上、下罩蓋開孔，驗證發動機的改善效果，優化前后方案詳見圖5。

為驗證充分，共制定4種方案，分別為：原狀態，去除正時上罩蓋，正時上罩蓋開孔，正時下罩蓋開孔，具體測試結果如圖6所示。

圖5　正時罩蓋優化前后對比示意圖

結果表明，4種方案中，正時上、下罩蓋同時開孔方案線性度平順，改善效果最佳。

3.2張緊輪張緊力優化方案驗證

本文研究發動機原正時系統張緊力為300N，而皮帶存在225 Hz及250 Hz的振動，通過分析，在不同張力下，隨著張力增大，噪聲感知最大的轉速點也隨之有所上升，皮帶振動頻率與張緊輪張緊力大小有關（張緊力在一定范圍內），即制定兩種張緊力的張緊輪進行臺架驗證，張緊力為225 N和255 N，測試結果如圖7所示。

圖7　不同張緊力對正時噪聲影響示意圖

結果表明：255N的張緊力為最佳狀態。

3.3正時輪系優化方案驗證

一般情況下，皮帶的緊邊與松邊為整根皮帶工作條件較惡劣的帶段，但皮帶張緊力增加后，皮帶緊邊張力增加，但并沒有緩解皮帶松邊的振動頻率，為進一步研究如何改善正時皮帶振動頻率及本身固有頻率調制引起正時“隆隆”聲異響，對正時輪系進行優化，優化后正時輪系布置如圖8所示，在水泵惰輪及曲軸帶輪之間增加小惰輪，改善皮帶振動頻率。

圖9為正時輪系優化后發動機正時側齒輪箱1 m處聲壓級測試結果，從圖可以看出：增加惰輪后正時“隆隆”聲改善明顯，225 Hz降低了10.3 dB（A），250 Hz降低了14.6 dB（A）。

圖8　正時輪系優化后示意圖

圖9　增加惰輪測試結果示意圖

結果表明：利用現有機油泵殼體增加安裝孔用于安裝惰輪，有效降低正時皮帶緊邊振動頻率，皮帶異常抖動現象消失，所以增加惰輪為較好的解決方案。

4　結論

1）正時系統罩蓋的結構對正時系統皮帶噪聲有一定影響，設計時需考慮正時腔內皮帶擾流的流向，用在罩蓋上打孔的方式來平衡該矛盾，對于上下罩蓋的結構形式，采取二者均開孔為最佳方式；

2）皮帶振動頻率受張緊輪張緊力影響，增加或減小張緊力可在一定程度上降低噪聲，但張緊力不可無限增加或減小，因不同的發動機存在不同的張緊力臨界值；

3）在正時系統設計初期，需考慮皮帶緊邊的擺動振幅，必要情況下增加張緊輪。

1李濤，陳特放，史鐵林，等.發動機正時系統噪聲診斷與降噪研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2015，43（6）：1-6

2朱孟華．內燃機振動與噪聲控制［M］．北京：國防工業出版社，1995

3孫毅.汽車傳動皮帶噪音巧診斷［J］.汽車運用，2012（3）：48

Research of the Effects of Diesel Engine's Timing System Optimization on Low Frequency Noise

Sun Liyong1，2，Li Le1，2，Sun Xuan1，2，Qu Wei1，2，Shang Yun1，2，Cai Yongqing1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

For improving the NVH（Noise Vibration and Harshness）of 4-cylinder turbo-charged diesel engine，a research and test of optimizing the timing system proves that the low frequency noise can decrease through improving the timing case，the tension force of the belt and adding the tensioner.

Diesel engine，NVH，Timing system optimization

TK421+.6

A

2095-8234（2016）04-0026-04

2016-05-20）

孫立永（1987—），男，助理工程師，主要從事柴油機研制與開發。