某車怠速氣門敲擊聲改善的試驗研究

靳文冰 李青林 趙雨雷 廉晶晶 孫晨

摘要：本文針對某車怠速時發動機氣門敲擊聲較大的問題，首先概述了氣門敲擊聲的發生機理，而后對實車噪音結合主觀評價和聲回放系統確定了該噪聲的頻率范圍為1.2kHz-1.4kHz，通過試驗分析證實該噪聲為氣門敲擊缸體所致，進而提出了調整氣門間隙的改善措施。最后，對比聲源處的頻譜分析結果及聲源表面成像，結果表明氣門敲擊聲的改善效果明顯。

關鍵詞：氣門敲擊聲;頻譜分析;聲回放;表面聲源成像

文獻標識碼：TB53 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2018） 02-0084-05

1 引言

消費者對于汽車的靜音性和聲品質感的要求越來越高，而怠速噪聲是消費者對車輛靜音性和聲品質的第一印象，是停車等待時車內環境舒適性的直接體驗。研究表明怠速時來自發動機的輻射噪聲源貢獻量達55%，其中頻率較高的氣門敲擊聲更容易被人耳感知。

氣門作為汽車發動機配氣機構的核心部件，在復雜受力及高速運轉作用下，氣門不斷敲擊發動機缸體，最終通過氣門室罩蓋向外輻射噪聲。然而，為了保證氣門處具有足夠大的氣流通過能力，要求凸輪升程規律能使氣門盡可能地快速地打開和閉合，并使凸輪升程曲線盡可能地豐滿，這必然導致了所有凸輪從動件的加速度迅速增大，使整個配氣機構的沖擊加劇，從而產生劇烈的振動和噪聲。所以，提高配氣機構的工作性能和降低配氣機構的振動及噪聲是相互矛盾的。因此，有必要弄清配氣機構振動和噪聲產生的機理，找出其主要的振動和噪聲源。

本文針對某車怠速狀態下氣門敲擊聲過大的問題，借助聲源分析、濾波、回放和成像技術，研究了氣門敲擊聲的頻率特征，有針對性地提出了改善措施。試驗證明，合理地調整進氣門和排氣門與挺柱之間的間隙能夠有效地改善氣門敲擊聲。

2 問題提出和分析

2.1問題提出

某車在怠速工況下車內反饋有嚴重的發動機氣門敲擊聲研究人員通過主觀評價確認了該問題表現為發動機的氣門敲擊噪聲，車內和車外均很突出。

為了進一步明確問題，如圖1所示，分別在發動機氣門室罩蓋上端和殼體處布置一個傳聲器和加速度傳感器，分析怠速工況下近場噪聲和輻射表面振動的頻譜特征。利用HEAD公司的聲回放系統圖2，進行原始信號的濾波和回放后，基本確定了氣門敲擊聲的頻率范圍約為1.2 kHz至2.4 kHz。圖3所示為問題樣車氣門室罩蓋近場輻射聲的A計權聲壓級FFT云圖。

2.2試驗調查和分析

顧名思義，氣門敲擊噪聲是氣門敲擊缸體所致。資料顯示，通常頂置式凸輪軸配氣結構缸體的剛度在108數量級（N/m），其自振頻率大概在2000 Hz附近，為此，調查問題車發動機缸體本身的固有頻率特性。如圖4所示，在缸體上布置一個加速度傳感器，用力錘分別敲擊進氣門和節氣門頂部，測量二者之間的振動傳遞函數，結果如圖4所示。

振動傳遞函數測試結果顯示，1、2、3、4缸的進氣門和節氣門在1.2 k-2.4 kHz頻率范圍內均出現了若干峰值，這些峰值對應為缸體的若干階共振頻率，并且與氣門敲擊聲的問題頻率吻合。結果證實，氣門敲擊聲問題是由氣門落座時敲擊缸體所致。至此可明確，缸體在氣門敲擊力作用下振動，在其固有頻率1.2k-2.4kHz范圍內共振發聲。

一般而言，共振問題改善有兩種方式：一是降低激勵水平，也就是減小氣門落座力;二是改變響應特性，這需要改變缸體本身的固有頻率。問題車的缸體已然定型，只能嘗試降低激勵力。

3 改善措施及試驗驗證

為了改善氣門落座產生的激勵力，需要研究影響氣門落座力的因素。

研究發現，氣門間隙如圖6所示，對氣門落座力有直接的影響，在其他條件不變的前提下，氣門落座力會隨著氣門間隙的增大而增大圖7。文獻指出，隨著氣門間隙的增大，氣門開啟和關閉點后移，氣門升程下降，除了不利于進氣效率，氣門開啟點和關閉點的變化會使得氣門承受載荷變化的更劇烈，產生更大的加速度。同時，氣門間隙過大還會使得氣門落座的速度變大，甚至導致氣門在凸輪型線的工作段末脫離搖臂，緩沖段喪失作用，氣門在彈簧力作用下落座，甚至發生反跳。而較大的落座速度同樣會帶來較大的落座力。

總之，減小氣門間隙，有利于降低氣門落座力，進而有利于減弱激勵水平和輻射噪聲的能量，達到改善氣門敲擊音的目的。

3.1改善措施

考慮問題車的實際狀態，按照盡可能地減小氣門間隙的原則，調整問題車的進氣門和排氣門間隙。通過調整挺柱的精加工尺寸，實現對氣門間隙的精確控制，安裝后用塞尺測量實際狀態的間隙值，將調整前后的實測間隙值列于表1。進氣門和節氣門間隙分別相對調整前較少23%和16%。

3.2改善效果驗證

為了驗證調整氣門間隙對氣門敲擊聲的改善效果，分別進行了氣門室罩蓋近場輻射噪聲FFT對比、表面振動的FFT對比以及氣門室罩蓋表面輻射噪聲源成像對比，試驗結果分別列于圖8、圖9和圖10。

對比改善前后的輻射噪聲，1.2kHz-2.4kHz問題頻率下A計權聲壓級顯著降低，調整氣門間隙后，問題頻率段（切片）的A計權聲壓級降低達9dB（A），改善效果顯著。相應的輻射表面的振動加速度級也略有降低圖9。

同樣的，利用傳聲器陣列對氣門室罩蓋表面進行聲源成像，平面陣列距離聲源1m，計算問題頻率范圍內輻射表面平均聲強級的分布。如圖10所示，可以看到同樣的標尺下，改善后整體聲強級降低明顯，最大聲強降低約4.2W/m²。

綜上所述，氣門室罩蓋的近場輻射A計權聲壓級FFT云圖及聲強成像的結果一致性地表明，調整進排氣氣門間隙后，問題車的發動機氣門敲擊聲的改善效果明顯。

4結語

本文針對某車怠速時出現的發動機氣門敲擊聲較大的問題，首先利用聲回放系統確定了該噪聲的頻率范圍為1.2 kHz-2.4 kHz，并指出該噪聲可能為氣門敲擊缸體所致。進一步，利用錘擊法對缸體和氣門整體進行模態傳遞函數測試，結果顯示在該問題頻率下出現了若干突出的峰值，證實了該推論。接著，分析了改善氣門敲擊聲的可行途徑：即通過減小氣門間隙量，降低氣門落座產生的激勵力，從而降低氣門敲擊的能量。最后，結合頻譜分析和表面聲源成像技術，驗證了該改善措施的有效性，調整氣門間隙后，聲源處問題頻率下的A計權聲壓級降低達9dB（A）。