發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音的NVH優(yōu)化

周濤，寧科亮，程曉章

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

隨著汽車工業(yè)和發(fā)動機(jī)技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，發(fā)動機(jī)的NVH表現(xiàn)越來越受到使用者的關(guān)注。

機(jī)油泵作為發(fā)動機(jī)的運(yùn)動零部件之一，在 NVH方面的表現(xiàn)逐漸被相關(guān)設(shè)計(jì)人員所重視。本文將針對某款發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的階次噪音問題，提出解決方案并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音形成原因

轉(zhuǎn)子機(jī)油泵作為圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動類零部件，階次噪音是最常見的噪音類型，也是比較容易主觀評價(jià)的噪音類型，階次噪音較大時可以聽到明顯的嘯叫聲，直接影響發(fā)動機(jī)及汽車的聲學(xué)品質(zhì)。

轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音產(chǎn)生原因：機(jī)油泵轉(zhuǎn)子在嚙合泵油的過程中，主動齒和被動齒不可避免的要產(chǎn)生擠壓、摩擦，在嚙入、嚙出過程中，因接觸面小，這種擠壓、摩擦?xí)觿×遥绻D(zhuǎn)子齒廓設(shè)計(jì)不合理，甚至還會產(chǎn)生干涉。這些擠壓、摩擦、干涉等產(chǎn)生振動并通過機(jī)械傳遞及輻射傳出，就是機(jī)油泵的階次噪音，嚴(yán)重時表現(xiàn)為尖銳的嘯叫聲。

根據(jù)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音產(chǎn)生的原理可以看出，只要機(jī)油泵工作，轉(zhuǎn)子嚙合就可能產(chǎn)生階次噪音。又因?yàn)闄C(jī)油泵轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一般是定速比的，所以階次噪音和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系，具體為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的某一倍數(shù)，這也是階次噪音容易區(qū)分于其他噪音的地方。

以本文研究的某款發(fā)動機(jī)為例，根據(jù)機(jī)油泵速比和齒數(shù)可以計(jì)算出機(jī)油泵階次噪音和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的具體倍數(shù)關(guān)系。在本款發(fā)動機(jī)中，機(jī)油泵動力傳遞路徑為：曲軸鏈輪-鏈條-機(jī)油泵鏈輪-機(jī)油泵轉(zhuǎn)子。可以計(jì)算出機(jī)油泵階次噪音與發(fā)動機(jī)的具體倍數(shù)關(guān)系：

其中：i1，曲軸鏈輪齒數(shù)，29

i2，機(jī)油泵驅(qū)動鏈輪齒數(shù)，32

i3，機(jī)油泵轉(zhuǎn)子齒數(shù)，6

計(jì)算出本款發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音相對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的倍數(shù)值為：5.44n。

2 摸底測試

2.1 測試說明

本文針對某增壓車型進(jìn)行摸底測試，重點(diǎn)評估機(jī)油泵階次噪音以及對車內(nèi)噪聲的影響(客觀數(shù)據(jù)與主觀評估相結(jié)合)。

根據(jù)前面的分析，轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音發(fā)生在全轉(zhuǎn)速段。據(jù)此，定義本次測試的工況：

車輛路試，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm加速到4000rpm

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：

（1）機(jī)油泵近場（30cm）布置傳感器

（2）駕駛員右耳處布置傳感器

2.2 測試結(jié)果

圖 1所示的車輛路試，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從 1000rpm加速到4000rpm時，在油底殼近場測試的噪聲頻譜。從圖中可以看到，轉(zhuǎn)子機(jī)油泵嚙合產(chǎn)生的5.44n階次噪音明顯。轉(zhuǎn)速范圍主要發(fā)生在2000rpm～4000rpm。

圖1 車輛路試，油底殼近場噪聲頻譜

圖 2所示的車輛路試，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從 1000rpm加速到4000rpm時，在駕駛員右耳處測試的噪聲頻譜。從圖中可以看到，測到輕微5.44n機(jī)油泵階次噪音。

圖2 車輛路試，駕駛員右耳處噪聲頻譜

主觀評價(jià)：在駕駛室內(nèi)可以聽到微弱的嘯叫聲，判定為機(jī)油泵階次噪音。

3 噪聲優(yōu)化

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

因?yàn)殡A次噪音主要是機(jī)油泵轉(zhuǎn)子嚙合時產(chǎn)生的，嚙合平順、增大嚙合面積有利于降低階次噪音。據(jù)此，本款發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵從以下兩個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1.1 降低轉(zhuǎn)子嚙合間隙，使嚙合更加平穩(wěn)

減小影響轉(zhuǎn)子嚙合的各裝配配合間隙，優(yōu)化前后對比如下：

表1

3.1.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)子型線

相比優(yōu)化前轉(zhuǎn)子，優(yōu)化后轉(zhuǎn)子嚙合型線更加平滑，無尖角。嚙入、嚙出過程中不會產(chǎn)生干涉，嚙合面積也更大，降低了單位面積轉(zhuǎn)子所承受的擠壓、摩擦力，大幅降低了產(chǎn)生階次噪音的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 優(yōu)化前轉(zhuǎn)子

圖4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)子

3.2 方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化效果，根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作快速成型件，然后裝機(jī)進(jìn)行NVH測試。測試工況及測量點(diǎn)與摸底測試時相同。

圖5所示的是機(jī)油泵設(shè)計(jì)優(yōu)化后，車輛路試，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1000rpm加速到4000rpm時，在油底殼近場測試的噪聲頻譜。圖中可以看到，相對優(yōu)化前，機(jī)油泵階次噪音降低明顯。

圖5 車輛路試，油底殼近場噪聲頻譜（優(yōu)化后）

圖6 所示的是機(jī)油泵設(shè)計(jì)優(yōu)化后，車輛路試，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1000rpm加速到4000rpm時，在駕駛員右耳處測試的噪聲頻譜。從圖中可以看到，機(jī)油泵階次噪音已基本消失。

圖6 車輛路試，駕駛員右耳處噪聲頻譜（優(yōu)化后）

主觀評價(jià)：在駕駛室內(nèi)，發(fā)動機(jī)全轉(zhuǎn)速段已經(jīng)聽不到機(jī)油泵的嘯叫聲。

為了進(jìn)一步對設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，在發(fā)動機(jī) NVH臺架對優(yōu)化前、后機(jī)油泵的NVH表現(xiàn)進(jìn)行對比試驗(yàn)。

圖7所示為機(jī)油泵在NVH臺架的對比試驗(yàn)結(jié)果，左圖為優(yōu)化前機(jī)油泵的測量數(shù)據(jù)，右圖為更換優(yōu)化后機(jī)油泵的測量數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，優(yōu)化前機(jī)油泵存在明顯的機(jī)油泵階次噪音（圖中紅色斜線），優(yōu)化后機(jī)油泵階次噪音基本消失，這與車輛路試結(jié)果一致。

圖7 發(fā)動機(jī)NVH臺架對比（左為優(yōu)化前，右為優(yōu)化后）

4 結(jié)論

根據(jù)車輛路試試驗(yàn)和發(fā)動機(jī) NVH臺架對比試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化后機(jī)油泵階次噪音大幅降低，主觀評價(jià)階次噪音嘯叫聲完全消失，優(yōu)化目標(biāo)達(dá)成。

通過本次優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，說明通過降低轉(zhuǎn)子嚙合間隙和優(yōu)化轉(zhuǎn)子型線來降低轉(zhuǎn)子機(jī)油泵階次噪音是可行的，也為類似齒輪嚙合零部件及結(jié)構(gòu)的NVH優(yōu)化提供參考。

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