某款發(fā)動機怠速時異響故障原因探索及解決

李京雷，覃 濤，馮祖龍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車噪聲與振動是衡量汽車品質(zhì)的一項非常重要的指標(biāo)，隨著生活水平的提高，人們對整車NVH的要求也越來越高。某車型車輛在怠速時副駕駛位置聽到較明顯的咕咕異響聲音，特別在安靜的環(huán)境更明顯，嚴(yán)重影響顧客駕乘體驗，抱怨強烈。

1 問題分析定位

通過對故障車輛實車分析（見問題定義樹），并嘗試通過拆卸單個、互換零件等方法來對異響源進行振動、噪聲測試分析，最終確認故障是由壓縮機支架模態(tài)不滿足要求引起，詳情如圖1所示。

圖1 異響問題定義樹

通過在駕駛室、發(fā)動機艙和壓縮機等部位布點進行模態(tài)實驗分析，分析結(jié)果見圖2所示，進一步確認故障位置，通過多點比對，發(fā)現(xiàn)駕駛室內(nèi)的噪聲頻率與壓縮機的振動頻率相同，因此可以判斷異響是由于支架或者帶輪不符合BP模態(tài)要求所致。

圖2 異響頻率與振動頻率比對圖

2 壓縮機支架模態(tài)分析驗證

2.1 模態(tài)理論分析

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)都具有特定的固有模態(tài)振型、頻率和阻尼比，可以通過試驗或者有限元仿真獲得。模態(tài)分析是一種結(jié)構(gòu)認知方法，可以根據(jù)頻率、阻尼、模態(tài)振型這些本質(zhì)特征來描述結(jié)構(gòu)，幫助明白結(jié)構(gòu)是怎樣振動的，其最終目標(biāo)在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[1]。

具有N個自由度的線性定常系統(tǒng)的基本振動方程可寫成：

式中：M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣；X¨（t）為加速度向量，X˙（t）速度向量，X（t）為位移向量，F(xiàn)（t）為動激勵載荷向量。

在進行模態(tài)分析時，由于結(jié)構(gòu)阻尼一般較小，對振型和固有頻率的影響甚微，通常忽略不計。于是方程（1）可簡化為方程（2）：

求解固有頻率與振型的問題就轉(zhuǎn)化為求解方程特征值與特征向量的問題。

本文通過LMS Test.Lab進行實驗?zāi)B(tài)分析，模態(tài)實驗激勵點圖如圖3所示。激勵點的選擇一般有以下兩個原則：首先應(yīng)該避開一階振型節(jié)點，保證測點信號有較高信噪比，避免遺漏模態(tài)；其次要選擇便于激勵傳遞的位置，該位置剛度應(yīng)盡量大。

圖3 模態(tài)測試布點圖

測試點應(yīng)該選擇能夠反應(yīng)測試零部件結(jié)構(gòu)輪廓、避開各階振型節(jié)點、顯示模態(tài)振型特征的點[2]。

2.2 模態(tài)實驗分析

通過LMS Test.Lab實驗?zāi)B(tài)分析的結(jié)果如下圖4、5所示，其中實線為帶皮帶的測試結(jié)果，虛線為拆皮帶的測試結(jié)果。

圖4 拆/帶皮帶情況下壓縮機支架各方向模態(tài)圖

圖5 拆/帶皮帶情況下帶輪各方向模態(tài)圖

表1測試結(jié)果顯示：帶輪在拆與帶皮帶的情況下測試的各方向模態(tài)結(jié)果相同；壓縮機支架無論在帶皮帶還是在拆皮帶情況下Y向模態(tài)都相對偏小。

表1 模態(tài)實驗結(jié)果表

3 壓縮機支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證

3.1 壓縮機支架設(shè)計優(yōu)化

汽車壓縮機支架在A/C OFF檔時要受到發(fā)動機為震源傳遞的振動，在A/C ON檔時同時還要受到壓縮機為震源傳遞的振動，因此壓縮機支架設(shè)計時的固有頻率要同時避開該兩個震源的振動頻率，一般情況下，汽車發(fā)動機怠速頻率的激勵對整車振動影響比較大，故障車為四缸發(fā)動機，怠速轉(zhuǎn)速約為750 r/min-850 r/min，根據(jù)公式（3）：

其中n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，z為發(fā)動機缸數(shù)，τ為沖程系數(shù)[3]。

可換算出發(fā)動機怠速振動頻率約為25 Hz-28 Hz，空調(diào)壓縮機的各檔位振動頻率范圍為30 Hz-120 Hz，這就要求壓縮機支架的固有頻率要遠離這兩個頻率區(qū)間。

此外，根據(jù)汽車行業(yè)通用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于子系統(tǒng)技術(shù)條件：壓縮機支架一階模態(tài)要求必須達到400 Hz以上，詳情見圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)以上兩點要求，對壓縮機支架進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，增強Y向模態(tài)，并保證其一階模態(tài)達到400 Hz以上，優(yōu)化后的支架如下圖7所示。

圖7 壓縮機支架優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比

3.2 壓縮機支架優(yōu)化前后測試對比

將優(yōu)化前后的壓縮機支架裝機測試，通過檢測駕駛員耳旁、發(fā)動機艙、壓縮機支架處的噪聲可發(fā)現(xiàn)，測試對比結(jié)果見圖8、9、10，優(yōu)化后的壓縮機支架有效地降低了三處的噪聲。

圖8 駕駛員側(cè)噪聲對比

測試結(jié)論：模態(tài)提升后，駕駛員耳旁處無異響頻帶。

圖9 發(fā)動機艙噪聲對比

測試結(jié)論：模態(tài)提升后，發(fā)動機艙無異響頻帶。

圖10 壓縮機支架處噪聲對比

測試結(jié)論：模態(tài)提升后，壓縮機支架處無異響頻帶。

從圖11、12的測試結(jié)果可得出結(jié)論：皮帶輪處測試Y向模態(tài)從170 Hz提升到237 Hz，提升模態(tài)后，駕駛員耳旁處、發(fā)動機艙無異響頻帶，改善效果明顯，用戶已感知不到原來發(fā)動機傳過來的咕咕異響。

圖11 壓縮機支架優(yōu)化前各方向模態(tài)

圖12 壓縮機支架優(yōu)化后各方向模態(tài)

4 結(jié)束語

通過對車輛存在異響故障進行原因分析，用振動與噪聲理論指導(dǎo)診斷鎖定故障點，根據(jù)理論計算優(yōu)化零件設(shè)計，將優(yōu)化零件、原來零件實車驗證，改善效果良好，達到優(yōu)化改善目的。