一種全浮式汽油機活塞銷異響的試驗研究及產生機理分析

李志敏，石黃濤，謝小洋

（東風柳州汽車有限公司發動機事業部，廣西 柳州545005）

0 引言

隨著國家油耗法規的日趨嚴厲，不少汽油發動機通過提高強化程度、適當小型化，以降低摩擦從而減少燃油消耗。汽油機強化程度的提高對零部件的強度提出了相應要求，其中，為提高活塞銷相關運動副的壓力承受能力，全浮式活塞銷的應用越來越多。然而全浮式活塞銷如果設計及制造不當，會導致令人厭煩的異響。隨著消費者對NVH（振動噪聲）水平的要求越來越高，消除包括上述異響在內的任何形式的噪聲問題，是發動機開發過程中的一項重要任務。研究及分析影響異響的各種因素并揭示其形成機理，是不斷提高研發水平的內在要求。

本文主要對一種汽油機全浮式活塞銷和連桿小頭配合導致的異響進行試驗研究，對其機理進行分析，最后尋求避免異響產生的措施。

1 異響現象描述

活塞銷的異響發生在發動機臺架試驗或者裝車的發動機上，冷機怠速條件下，無需儀器檢測，人耳主觀即能聽到“嗒嗒”聲，機體的下部或發動機的扭轉減振器端主觀感受最明顯，該異響有以下特征：

（1）主油道機油溫度＜40℃時特別明顯，隨著機油溫度的提高異響逐漸消失；

（2）主油道機油壓力升高至400 kPa后，異響存在約10 s后消失；

（3）異響發生在冷機無負荷工況，發動機轉速在700～1 200 r/min范圍無負荷運轉時，異響特別明顯，轉速超過1 200 r/min后逐漸被整機噪聲掩蓋；

（4）發動機冷機（機油溫度＜40℃）條件下被測功機倒拖時，異響也存在。

2 異響測試方案介紹

異響的分析在半消聲室進行測試，測試方案中，發動機安裝在測功機臺架上，飛輪端通過聯軸器與測功機相連。角標儀安裝在發動機曲軸小頭前端，以檢測異響發生的曲軸相位。由于聲音通過缸體傳播，缸體的振動信號即表征聲音特性，振動傳感器安裝在缸體上，同時在對應位置附近裝有麥克風采集聲音信號，采用LMS多通道數據采集系統同步采集曲軸位置信號、聲音信號和振動加速度信號，以進行對比分析。

3 異響相關特征分析

圖1中所示是異響發生時刻缸體振動和曲軸相位關系的分析結果，圖中4條豎直方向的標記線分別為1-3-4-2缸點火上止點；從聲音信號的分析可以看出，異響頻率成分主要能量都在各缸點火上止點前約25～30°CA，部分測點在點火上止點后約25～30°CA處也有一定能量。

圖1 異響對應的下缸體振動特性分析結果

圖2 所示是異響對應的振動信號的頻率分析結果，從信號的頻率分析可以明顯發現，發動機有“嗒嗒”異響綠線數據在2 000～4 800 Hz頻帶內明顯高于無異響時的數據，異響的中心頻率有3 000 Hz和4 700 Hz。在實際分析中，用濾波器過濾掉2 000～4 800 Hz的頻帶后，異響消除。

圖2 異響對應的缸體下部振動信號頻率特性

從以上分析結果可以表明，此種全浮式汽油機活塞銷和連桿小頭配合導致的異響，其信號具有兩個明顯特征：

1）異響發生在各缸點火上止點前約25°～30°，部分發生在點火上止點后約25°～30°處；

2）異響的頻率分布主要在2 000 Hz～4 800 Hz范圍內。

4 影響異響的因素試驗分析

為分析研究導致活塞銷與連桿小頭異響形成的因素及其影響大小，針對可能導致異響的因素，設計了6種試驗方案，每個試驗方案僅僅改變其中一些變量，以評估其影響。方案1對活塞銷進行了改動，活塞銷相對初始設計提高了約10%的彎曲剛度；方案2中對活塞銷的表面粗糙度進行了改動，表面粗糙度從Rz0.7變成Rz0.5；試驗方案3中增大了活塞銷和連桿小頭之間的配合間隙，在原始設計方案的間隙值上限基礎上再增加6μm；試驗方案4對連桿小頭的襯套進行了改動，在連桿小頭上增加了“一”形的儲油槽；試驗方案5在連桿小頭襯套上增加了V形儲油槽；試驗方案6在連桿小頭襯套上增加了V形儲油槽的同時，在原始設計方案的間隙值上限基礎上再增加6μm。圖3展示了“一”形的儲油槽和V形儲油槽的連桿小頭外觀。

圖3 “一”形的儲油槽和V形儲油槽的連桿小頭外觀

上述試驗方案通過逐一換件的方式依次更換到同一臺發動機上進行試驗分析，每次試驗僅采用其中一種方案，發動機其它條件及試驗條件不改變。方案及試驗結果如表1所示。

表1 零件改變措施及試驗結果

通過分析試驗結果發現，僅僅通過改變活塞銷的剛度（方案1），對異響幾乎沒有影響。同樣，僅僅通過提高活塞銷表面的粗糙度，對異響幾乎也沒有任何影響（方案2）。活塞銷與連桿小頭間隙在原設計間隙值上限基礎上增加6μm后（方案3），異響消失，表明異響對配合間隙很敏感。在連桿小頭的襯套上增加“一”形油槽（方案4）或者V形油槽（方案5）改善潤滑后，異響都消失，表明潤滑是影響異響的關鍵因素。然而，如果在連桿小頭增加V形油槽的同時，配合間隙在原設計間隙值上限基礎上增加6μm（方案6），異響重現，表明即使設計了儲油槽，但是配合間隙過大也會造成異響。

另外試驗發現，連桿小頭襯套增加V形儲油槽，且配合間隙在原設計間隙值上限基礎上增加6μm（方案6），其異響的中心頻率降低為2 000 Hz，但異響未消失。試驗結果如圖4所示。

圖4 配合間隙在原設計間隙值上限基礎上增加6μm測試結果

通過上述現象試驗結果比較及分析，可以分析得到以下結論：

1）活塞銷的剛度提高，外表面的粗糙度減小對異響無明顯影響；

2）在原始設計的活塞銷-連桿小頭配合間隙值上限的基礎上增加配合間隙，也可以消除異響；

3）連桿小頭增加了儲油槽可以消除異響，但間隙增加后異響重現，異響頻帶中心頻率下移；

4）異響對活塞銷與連桿間的配合間隙大小很敏感；

5）異響對機油溫度敏感；

6）異響對機油壓力敏感。

5 異響的成因及機理分析

關于活塞銷與連桿小頭配合導致的異響，不少文獻對其進行了研究[1-4]。Nasser Moshrefi對其進行了研究和分析[1]，指出活塞銷和連桿小頭的異響有兩個影響因素：活塞銷和連桿小頭的間隙大小、活塞銷與連桿小頭間隙的形狀。張貴強等對某汽油機熱機怠速活塞銷與連桿小頭敲擊異響問題進行了試驗研究[2]，指出活塞銷與連桿小頭的敲擊異響對間隙很敏感，并通過改善連桿小頭潤滑的方式，消除了異響。

左正興等[3]對半浮式活塞銷噪聲產生的機理進行了研究，通過對活塞連桿組活塞銷軸承的混合潤滑進行了動力學仿真分析，指出活塞銷噪聲主要來自于活塞銷與連桿小頭襯套間的碰撞，且活塞銷噪聲在其受到的活塞銷座作用力方向的反轉時刻附近發生；且證明了活塞銷與連桿小頭襯套間隙越大、發動機轉速越高，活塞銷與小頭襯套間的碰撞越激烈，活塞銷噪聲越大。

王丹丹[4]等對連桿襯套的間隙、表面粗糙度、襯套材料、連桿襯套硬度、活塞銷圓柱度等方面影響因素進行了分析，確認活塞銷圓柱度超差會造成活塞銷與連桿產生噪聲。

結合本文試驗分析情況，作者試圖對活塞銷和連桿小頭的異響的形成機理進行分析。全浮式活塞銷和連桿小頭的配合，在確保兩者的圓柱度合理的情況下，由于兩者之間間隙的存在，在發動機的運轉期間，活塞銷相對于連桿小頭有軸向串動和繞軸心的轉動，同時，活塞銷在活塞傳遞的慣性力和缸內氣體壓力等因素的共同作用下，在徑向有相對于連桿小頭中心的振動。活塞銷和連桿小頭之間不是完全的流體潤滑狀態，可能存在混合潤滑、干摩擦狀態的情況，因此，油膜的形成與否，決定了異響的存在與否，如果形成了油膜，活塞銷和連桿小頭之間不是直接金屬接觸，屬混合潤滑，不產生異響，如果不能形成油膜，則活塞銷在其受到的連桿小頭作用力方向的反轉時刻附近（各缸點火上止點前或上止點后約25～30°CA），活塞銷沿徑向運動，直接敲擊連桿小頭形成干摩擦，金屬間的直接撞擊產生了在2 000～4 800 Hz頻帶內的“嗒嗒”異響。在混合潤滑、干摩擦的邊界潤滑狀態，油膜不穩定，所以異響仍然存在，但是由于潤滑條件相對于干摩擦情況而言有改善，異響的中心頻率下降。

活塞銷與連桿配合運動副，兩者的圓柱度、配合間隙大小、是否有改善潤滑的設計，決定了運動副在發動機運轉過程中處于混合潤滑、邊界潤滑、干摩擦3種狀態中的哪一種。

拆檢存在“嗒嗒”異響的發動機，發現連桿小頭襯套上有灼燒及磨損的痕跡，表明活塞銷和連桿小頭存在干摩擦的情況，證實了上述的推斷。圖5展示的是存在異響的發動機試驗后的連桿小頭外觀。

圖5 存在異響的發動機試驗后的連桿小頭外觀

因此，可以解釋全浮式活塞銷與連桿小頭異響的現象，及前文4影響異響的因素試驗分析中所得到的結果。

對于連桿小頭沒有儲油槽的設計，發動機設計圖紙及技術條件確定后，活塞銷與連桿小頭配合的間隙值、機油牌號是確定的。在發動機運轉過程中，機油溫度隨時間變化，粘度也隨之變化。在機油溫度低的時候（冷機怠速），相對于粘度，如果配合間隙與此刻溫度條件下的機油粘度適合，機油容易進入連桿小頭與活塞銷的運動副之間，形成油膜，潤滑條件良好，活塞銷與連桿小頭不存在直接接觸，沒有撞擊，不產生異響。如果間隙過小，機油難以進入連桿小頭與活塞銷的運動副之間，形成不了油膜，異響產生。同樣條件下，機油壓力升高至400 kPa以上，由于飛濺的機油量增大，增加了機油進入活塞銷與連桿小頭之間的機會，潤滑改善，形成混合潤滑，異響消失。

同樣可以解釋試驗方案6中異響的現象，相對于機油粘度，活塞銷和連桿小頭的配合間隙過大，雖然潤滑油很容易進入到運動副中，但是由于流失速度也快，油膜雖然能形成，但屬于邊界潤滑狀態，不穩定，金屬間直接敲擊，也存在異響，但是由于潤滑條件相對于干摩擦情況而言有改善，異響的中心頻率下降至2 000 Hz。文獻[2]中描述的也是類似情況。

6 活塞銷和連桿小頭設計準則

綜合上述試驗結果及異響產生的機理分析，可以得到避免全浮式活塞銷與連桿小頭產生異響的設計措施：

1）連桿小頭設計有儲油槽或其它改善潤滑的特征；

2）適當大小的活塞銷與連桿小頭配合間隙；

3）連桿小頭和活塞銷圓柱度處于合理范圍。

7 總結

本文對汽油機全浮式活塞銷和連桿小頭配合的異響進行了試驗研究，考察了配合間隙、活塞銷剛度、活塞銷粗糙度、機油壓力、儲油槽等因素對噪聲的影響。分析了異響的聲音特征，并對其產生的機理進行了分析，提出了避免全浮式活塞銷和連桿小頭異響的運動副設計的準則。