發動機正時系統噪聲分析與異響診斷

李 蕓

(同濟大學，上海 200092)

0 前言

有數據顯示，三分之一的汽車故障問題與噪聲振動有關。汽車行業相關公司25%的研發費用，都用來解決汽車的噪聲問題。汽車的噪聲來自不同的噪聲源，發動機是最主要的噪聲源。發動機零件在運行過程中發生故障時，往往也會使發動機產生振動或者發生異響。研究發動機零件噪聲，并進行分析是判斷發動機是否正常工作的重要依據。因此，研究發動機噪聲產生的機理及優化措施，對于發動機的故障診斷和預判，以及對汽車平順性、隱蔽性和乘坐舒適性都具有重要意義。配氣正時系統是影響發動機性能的關鍵環節之一，是發動機的重要組成部分，對其噪聲控制要求也越來越高。

1 發動機正時系統噪聲分析

發動機正時系統的噪聲主要來自于兩方面：一部分噪聲由發動機正時零件產生，該部分零件主要包括正時皮帶、相位調節器、曲軸鏈輪、張緊輪及導向輪；另一部分噪聲則來自于機體外部的振動現象。正時系統的噪聲會引起周圍空氣的波動，并形成噪聲輻射[1]。

1.1 正時皮帶的噪聲特性

發動機在急加速或急減速的過程中，曲軸的轉速波動及發動機的工況變化都會使正時皮帶產生抖動和打滑。在正時皮帶壓力的作用下，張緊輪也可能出現大幅擺動的現象[2]。在傳動過程中，正時皮帶會受到橫向、縱向和軸向3個方向的振動影響。其中，影響最大的為橫向振動。由于正時皮帶輪和齒輪處于粘合狀態，因此產生了橫向振動(由嚙合過程產生)，其振動方向垂直于正時皮帶[3]。

如圖1所示，在用不同的初始張緊力安裝正時皮帶時，在正時罩殼和發動機懸架上采集到了振動信號。在測試過程中，使發動機以怠速工況運轉，并將冷卻水溫度控制在90 ℃，將機油溫度控制在95 ℃。通過測試，發現正時皮帶的張緊力和振動之間沒有明顯的對應關系。

圖1 正時皮帶的振動信號與張緊力的關系曲線

如改變正時皮帶的尺寸，正時皮帶的抗彎剛度也會相應改變，從而影響到正時系統的振動特性。圖2示出了正時皮帶的齒距寬度和背部厚度。

圖2 正時皮帶的齒距寬度和背部厚度

采用具有不同厚度和不同寬度的正時皮帶開展了交叉試驗，并通過安裝在正時罩殼上的振動傳感器來采集振動信號。具有不同尺寸的正時皮帶的噪聲曲線如圖3所示。

圖3 正時皮帶噪聲與正時皮帶寬度及厚度的關系曲線

試驗結果表明，增大正時皮帶的背部厚度能減小正時系統的噪聲。根據正時皮帶的這一特性，歸納的影響正時皮帶噪聲的相關因素如圖4所示。

圖4 影響正時皮帶噪聲的相關因素

1.2 相位調節器的噪聲特性

在工作過程中，需要采取一定的措施，以避免相位調節器的嚙合頻率和正時皮帶的固有頻率發生重疊。因為上述情況會產生共振，從而引發異響。此外，零件的裝配誤差也會引發相位調節器的異響，其異響故障原因如圖5所示。

圖5 相位調節器產生異響的原因分析

對相位調節器產生異響的原因進行分析，發現在相位調節器的異響分析和優化過程中，需要重點關注螺釘、前蓋板、轉子及密封刮片的安裝狀態。

對相位調節器內部機油泄漏量和正時系統振動現象之間的關系進行研究。使用牌號為5W40的機油，并將機油溫度控制在100 ℃，將機油壓力控制在0.1 MPa。分別測試了5個相位調節器的內部機油泄漏量，并將上述5個相位調節器均配裝到試驗發動機上。試驗發動機以怠速工況運行，從而便于試驗人員及時采集正時罩殼上的振動信號。試驗結果如圖6所示。

圖6 相位調節器振動信號與內部機油泄漏量的關系曲線

隨著相位調節器內部機油泄漏量的增加，正時系統的振動現象出現了逐步增大的趨勢。當內部機油泄漏量超過500 mL/min，振動幅值產生了明顯變化。

1.3 張緊輪的噪聲特性

在發動機運行過程中，往復慣性力和旋轉慣性力會使正時皮帶受到周期性的沖擊。張緊器的功能是將正時皮帶的張緊力控制在正常的范圍內，并緩解上述周期性沖擊所引起的正時皮帶振動現象[4]。此外，過大或過小的張緊力也會使正時系統出現異常。需要采用合適的張緊器來改善上述情況。張緊器的工作原理是通過內部的彈簧阻尼機構，來產生一定的阻尼。該阻尼會隨外力(皮帶壓力)發生變化，從而控制張緊力的大小。張緊輪的調節如圖7所示。

圖7 張緊輪的調節過程示意圖

張緊輪的異響主要由自身尺寸誤差或機油泄漏所致。針對張緊輪異響的原因分析如圖8所示。

圖8 針對張緊輪異響的原因分析

1.4 導向輪、靜音惰輪及減振器對正時系統噪聲的影響

在正時傳動系統中，導向輪和靜音惰輪能改變帶輪的包角大小和嚙合齒數，減小齒輪之間的皮帶跨度及皮帶振幅[5-6]。將減振器安裝在發動機支架和吊裝懸掛之間，用于減小發動機和機艙零件之間的噪聲激勵。在減小正時系統噪聲方面，該減振器所起到的效果并不明顯，因此在正時系統上安裝1個靜音惰輪，如圖9所示。

圖9 安裝在正時系統上的靜音惰輪

將冷卻水溫保持在90 ℃，并使發動機以怠速工況運行。在安裝靜音惰輪時，分別采集正時罩殼處的振動參數，并進行對比，結果如圖10所示。對比結果顯示，通過安裝靜音惰輪，能有效抑制正時系統的振動。

圖10 靜音惰輪對系統噪聲的影響

2 正時系統異響的診斷分析

2.1 正時系統異響診斷流程

根據正時系統的噪聲特性，得出了正時系統噪聲的來源，主要如下：①正時系統隨曲軸周期運行所產生的噪聲；②正時系統零件所產生的結構噪聲；③發動機燃燒過程所產生的振動傳遞至正時系統，引發了共振，并產生噪聲；④發動機的結構振動傳遞至正時系統，引發了共振，并產生噪聲；⑤來自汽車其他零件的振動傳遞至正時系統，引發了共振，并產生噪聲。

根據發動機特征、正時系統功能、噪聲特性及噪聲來源，開發了用于解決正時系統異響現象的診斷流程，對正時系統異響現象進行了分析和優化，如圖11所示。

圖11 針對正時系統異響現象的診斷流程

2.2 正時系統異響診斷案例

2.2.1 正時皮帶異響診斷

當某款發動機處于怠速工況時，隨著冷卻水溫的升高，正時皮帶也出現了明顯的異響。提高發動機轉速后，異響隨即消失。圖12為對正時皮帶異響進行頻譜分析所得出的結果。

圖12 正時皮帶異響頻譜分析結果

研究發現，正時皮帶在600～620 Hz頻率范圍內的振幅明顯偏大，因此對怠速時的齒輪嚙合頻率進行了計算。由于發動機怠速轉速范圍為800～850 r/min，相位調節器和曲軸鏈輪齒數分別為44齒和22齒，則相位調節器的嚙合頻率范圍為586～623 Hz，曲軸鏈輪的嚙合頻率范圍為293～311 Hz。由于相位調節器和正時皮帶間產生了共振，因此引發了上述異響情況。

關閉了VVT調節閥后，停用了相位調節器的調節功能，但異響仍未消失。在調節了張緊輪的指針，并減小了張緊力，異響終于消失了。對正時皮帶進行了檢測，發現該款正時皮帶不存在質量問題。重新采用了同型號的正時皮帶進行試驗，異響并未重復出現。由此可知，上述異響問題主要由正時皮帶的張緊力引起。發動機的熱膨脹現象會使正時皮帶的齒距變大，由于正時皮帶的延展性較差，因此，當發動機水溫上升后，正時皮帶會變得更緊[7]。在該情況下，正時皮帶的固有頻率會發生變化，并與齒輪產生共振，引發一系列噪聲。對正時皮帶的安裝工藝進行追溯，發現在部分發動機的正時皮帶安裝過程中，裝配人員沒有對相位調節器采用預擰緊后的反松操作，使得正時皮帶的張緊力過大。為了驗證上述假設，以錯誤的方式對正時系統進行再次裝配。當發動機投入運行后，發現在怠速工況下，正時系統再次出現了異響。以吊裝懸掛的方式，在發動機上安裝了減振器，但異響仍然存在。在正時系統上安裝了靜音惰輪，異響消失。由此證明，裝配人員采用了錯誤的安裝工藝，導致正時皮帶張緊力過大，從而引發了上述異響現象。

在處理A型號正時皮帶異響過程中，依據上文提到的診斷流程，對故障進行了排查。當將引發異響的A型號正時皮帶替換為其他的A型號正時皮帶時，發現異響并未消除。隨即將A型號正時皮帶再次更換為B型號正時皮帶，異響消失。針對上述2款正時皮帶異響的頻譜分析如圖13所示。

圖13 針對正時皮帶異響的頻譜分析結果

經對比發現，出現異響現象的A型號正時皮帶的背部厚度比B型號正時皮帶要小3 mm。當發動機處于900 r/min的怠速工況時，會與嚙合頻率為660 Hz的相位調節器產生共振，從而引發異響。因此，對A型號正時皮帶的尺寸進行了優化。

2.2.2 相位調節器異響診斷

某款發動機在1 000～1 100 r/min的轉速工況下出現了異響。根據診斷流程，研究人員拔掉了VVT調節閥，異響消失。針對該款發動機正時皮帶異響的頻譜分析如圖14所示。

圖14 針對某款發動機正時皮帶異響的頻譜分析結果

異響的頻率范圍與730～810 Hz的嚙合頻率相對應，此處為非共振頻率，是皮帶在該轉速下的嚙合頻率。在拔掉VVT調節閥后，相位調節器的油道關閉，相位調節過程停止。因此，可認為異響與相位調節器的機油泄露量有關。對發動機相位調節器的機油泄漏量開展了一系列試驗，并將原相位調節器更換為機油泄漏量較低的其他相位調節器。重新起動發動機，觀察發動機是否存在異響，試驗結果如表1所示。

表1 相位調節器更換試驗結果

在換裝試驗中發現，將原相位調節器更換為機油泄漏量較低的其他相位調節器后，能消除大部分發動機的異響。因此，可認為相位調節器較大的機油泄漏量會引起發動機正時系統的異響。為此，需要制定相應標準，以確保裝機時所選用的相位調節器僅會產生較低的機油泄漏量。

2.2.3 凸輪軸異響診斷

某款發動機在以低轉速運行時，會產生“噠噠”的異響。經過診斷，排除了正時皮帶、相位調節器、曲軸鏈，以及張緊輪對發動機產生的影響。采集了該款發動機的振動參數，發現發動機的異響頻率為0.5階次。由于已排除了相位調節器的故障，因此對凸輪進行了分析。凸輪聲壓隨曲軸轉角發生的變化如圖15所示。

圖15 凸輪聲壓隨曲軸轉角發生的變化

在1缸排氣門打開時，發動機會出現異常振動信號。該振動信號與正時罩殼處振動信號發生的時間保持一致。檢查第1缸的排氣門和凸輪，發現凸輪存在輪廓尺寸超差的現象。更換了凸輪后，正時罩殼的異響消失。

3 結論

針對正時系統的異響現象，本文建立了相應的診斷流程，對正時皮帶引發的異響抱怨進行了分析，優化了正時皮帶的背部厚度，并得出了以下結論：

(1)對相位調節器引發的異響現象進行了分析，發現機油泄漏會導致正時系統的異響；

(2)對凸輪軸引發的異響現象進行了分析，發現凸輪軸存在輪廓尺寸超差的現象；

(3)對外界激勵引發的異響進行了分析，并使用靜音惰輪和減振器來降低噪聲，發現減振器對外界激勵引發的噪聲具有明顯的抑制效果。