某發動機升速噪音分析

陳小波，薛 順

（1.柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005；2.拾音汽車科技（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

近年來，隨著人們環境、健康意識的不斷提高，車輛的舒適度及聲品質越來越受到人們的關注。在競爭激烈的汽車市場上，提高車輛的噪聲水平已成為新的競爭焦點和技術發展方向。在此背景下，車輛的NVH性能正式成為汽車研發過程中最為重要的性能指標[1]。

某增壓直噴發動機在前期匹配某車型進行整車噪音主觀評估時，偶然發現在原地P 檔從怠速升速到最高轉速時，會在某一固定轉速出現尖銳的異常噪音，而且隨著反復從怠速升速到最高轉速的次數越多，這個噪音會更加尖銳和刺耳。通過對車輛進行NVH 噪音測試結合發動機結構原理進行噪音的原因排查與分析，并通過制造特殊樣件進行激勵源的判定，最終鎖定產生激勵振動的問題件，并通過優化問題件的結構設計，使發動機的噪音與振動得到明顯改善。該問題的發現與成功解決，為后續發動機與整車的匹配開發提供了經驗，增加了與發動機熱機強相關的噪音驗證工況，同時也給發動機系統零部件的開發提供了豐富的經驗。

1 問題定義

發動機在熱機加速及降速過程中，在特定轉速段出現明顯異響，冷機無該異響抱怨。為了快速鎖定噪聲來源，分析潛在噪聲機理，首先對發動機常見噪聲源及傳播路徑進行了NVH 測試與分析。重點測試駕駛室駕駛員左耳、右耳以及整車進氣口、發動機增壓器、機濾以及前端輪系近場噪音以及發動機缸體、懸置、機濾及機濾座的振動。如圖1 為車內噪音頻譜發動機加速過程中6.1 階及其諧波階次顯著，特別當轉速上升到某轉速附近，階次特征變得更加凸顯。圖2為發動機近場噪音，從上到下依次為機濾、整車進氣口、前端輪系及增壓器近場噪音。從圖2 分析可知機濾近場噪聲特征與車內噪聲抱怨階次特征吻合，而整車進氣口、前端輪系以及增壓器等位置處不明顯。

圖1 車內噪音

圖2 發動機近場噪音

2 問題排查

如圖3 在機濾表面安裝振動加速度傳感器以及在機濾近場安裝麥克風。分別在冷機和熱機時采集發動機轉速從1000 r/min 升速到5000 r/min 時的機濾表面的振動和近場噪聲。發動機在熱機加速及降速過程中，主觀感受在特定轉速段出現明顯異響，而冷機無該異響。如圖4 分別是冷機和熱機時機濾近場噪聲頻譜圖，從圖中可清晰得出：熱機狀態下當某轉速出現異響時，機濾表面振動及近場噪聲均能捕捉到該信號；而冷機狀態時，沒有類似異響，同時機濾近場噪聲和表面振動也無相關信號。

圖3 機濾近場麥克風及機濾表面振動傳感器

圖4 機濾近場冷機與熱機噪聲

如圖5 熱機狀態時機濾近場噪聲及其自身振動頻譜，可知機濾近場噪聲與其自身振動完全吻合，均存在6.1 階及其諧波階次能量在某轉速顯著增大的特征。通過檢查發動機零部件發現機油泵內轉子數為5，機油泵與曲軸的速比為1.22，對應曲軸的階次剛好為6.1 階，與噪聲階次吻合。同時機油泵噪聲經常具備明顯的階次特征，基于以上特征分析初步判斷抱怨噪聲來自于機油泵。當發動機轉速上升到某特定轉速時，噪聲及振動階次能量顯著增大可能和機油泵工作狀態發生變化相關。

圖5 機濾近場噪聲及振動

噪聲的傳遞路徑主要分為空氣傳聲和結構傳聲兩類[3]。要確定分析是由何種路徑傳聲到駕駛室內，才能針對噪聲作出相應的改善措施。通過測試機濾以及懸置支架振動，機濾近場噪聲及車內噪聲頻譜（圖6）以及左懸置和機濾表面振動（圖7）分析可知，發動機及變速箱懸置主動側均識別到機油泵噪聲相同的階次特征，說明其液壓激勵高到影響整個動力總成。關于車內抱怨的噪聲問題，部分能量激勵來源于結構傳聲，動力總成懸置會將噪聲傳遞至車內。

圖6 機濾近場噪聲和車內噪音

圖7 左懸置和機濾表面振動

經過上述問題初步排查，已可以明確該異常噪音的產生來自機油泵，結合噪聲在冷機時無而熱機時產生，說明機油泵工作導致異常噪音的產生與溫度相關聯。而機油泵結構或者工作原理本身不會隨著溫度變化而產生變化[2]，因此懷疑是機油壓力在溫度的影響下，會產生不同的脈動表現而引起噪音。為了更加直觀的檢查機油壓力脈動與溫度、噪音的表現關系，在發動機主油道上安裝機油壓力脈動傳感器。如圖8，在機濾座油道上安裝高動態壓力脈動傳感器測試機濾出口油道壓力脈動，同時在機濾上安裝振動傳感器，采集振動噪聲。

圖8 機濾振動傳感器及高動態壓力脈動傳感器

如圖9 和10 可知，機油壓力波動頻譜與機濾振動頻譜趨勢一致，主要貢獻為6.1 的倍數階，與上述所講機油泵階次吻合。同時機濾近場噪聲與主油道壓力在相同轉速同步出現階次能量惡化，可以說明噪聲由機油泵液壓激勵產生。同時，如圖11 熱機與冷機時機油波動對比：冷機狀態下機油壓力脈動增大基本正常，噪聲抱怨轉速點未發現明顯的壓力驟變及階次能量增大；熱機狀態時，機油壓力在噪聲抱怨轉速點明顯發生驟變。

圖9 機油壓力波動頻譜-熱機

圖10 機油表面振動頻譜-熱機

圖11 熱機及冷機時機油波動對比

如圖12 可以更加清晰地觀察到機油脈動、機濾表面振動以及與發動機轉速影響關系。當發動機處于熱機狀態時，如圖所示發動機水溫在95 ℃時，機油壓力脈動在某轉速產生突變，同步在車內能清晰聽到抱怨噪聲。同時在機油壓力脈動突變時機濾表面的振動也產生突變兩者發生時刻完全吻合并呈臺階式上升。進一步證實，機濾表面突變振動由機油壓力脈動突變激勵產生。

圖12 機油脈動與機濾表面振動關系

3 原因確定

通過上述問題排查，結合機油泵的結構，初步判定為泄壓閥在熱機狀態下工作狀態下異常導致機油脈動在某轉速產生突變，從而產生噪音。為了進一步證實噪音出現時刻的壓力脈動與泄壓閥相關，制作特殊樣件把泄壓閥閥芯固定，泄壓閥的閥心固定后，泄壓閥不會隨著壓力升高出現泄壓。

在整車上更換機油泵并進行NVH 測試，發現泄壓閥完全固定后，發動機熱機狀態原地P 檔加速全過程中壓力脈動無明顯突變，主觀感受也未聽到噪音。

如圖13，機油泵泄壓閥芯完全固定后，機油脈動及機濾表面振動關系，機油脈動無明顯突變，機濾表面振動臺階式上升問題已消除，噪音消失。由此可確定根本原因為泄壓閥異常工作狀態導致了抱怨噪音的產生。

圖13 機油脈動與機濾表面振動關系（泄壓閥芯固定）

從測試結果分析：油路是存在腔體模態，當激勵達到該頻率時，油路發生共振，產生較大油壓波動，引起彈簧的異常運動，形成異響，反復升降速工況，前一次的油壓脈動尚未衰減完，后一次激勵施加導致壓力脈動逐漸增加，異響轉速點逐漸降低；而冷機狀態下潤滑油黏度更高，阻尼更大，油液振幅小，所以無異響。

4 方案驗證

雖然把泄壓閥芯固定或者取消泄壓閥結構可以解決噪音問題，但考慮到發動機在正常工作時各個系統對油壓的要求，實際上機油泵泄壓閥根本無法取消。如圖14 為發動機潤滑系統原理圖，從整個潤滑系統的各個油路上分析可能改善噪音的方案。將整個油路分成5 部分，分別為：機油泵傳動、機油泵泄壓閥機構、主油道、用油部件。對于機油泵傳動系需要降低傳動比，可以降低相同發動機轉速時機油壓力，從而降低壓力波動；對于機油泵泄壓閥機構，優化泄壓截面結構以減小油壓及流量的突變，同時優化泄壓閥彈簧的剛度以及增加泄壓閥芯的重量來增加泄壓機構的阻尼，從而降低油壓波動。

圖14 發動機潤滑系統原理圖

對于主油道而言，則需要通過CFD 分析，減小主油道的壓力損失，為優化泄壓閥機構提供更大的空間；對于用油部件，則需要優化各運動間隙，以減小機油泄露，從而可以降低機油壓力的需求，降低泵的壓力。由于主油道及用油部件的運動間隙優化有限，故將機油泵泄壓機構作為重點優化對象，同時在保持需求油壓的情況下適當降低傳動比。

經過多種方案嘗試與驗證，確定了如下的驗證方案：

（1）將機油泵泄壓截面由單泄壓T 型泄壓槽優化為對稱式泄壓槽；

（2）增加泄壓閥芯的重量以提高機油泵在泄壓時閥芯的穩定性；

（3）提升機油泵的泄壓彈簧的剛度；

（4）同時降低傳動速比。

采用優化方案后，進行的NVH 測試，主觀感受無突變噪音產生，機濾近場噪聲頻譜，如圖15 所示，在噪音產生的轉速及其附近無明顯振動的痕跡，同時升速過程中機油壓力上升較為平滑，機濾振動、機濾近場噪聲的頻率特性中，無明顯機油泵諧階次。

圖15 機濾噪聲&機濾振動及油壓測試結果

5 結語

通過對可能產生發動機在原地P 檔在熱機狀態時在某固定轉速產生突變噪音的系統分析以及NVH測試驗證及指導，最終確定噪音產生的來源，并通過對機油泵泄壓機構的優化，有效解決了噪音問題。