某車型起動過程起動機退齒異響的分析

劉后發 邵 杰 孫百重 祝君志 項興富 邵靜萍

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

消費者滿意度是反映乘用車品質的一項重要指標，其中振動和噪聲直接影響消費者的滿意度[1]。目前，乘用車駕駛的舒適性及NVH 性能已成為影響消費者購車的一個重要因素。在車輛起動過程中，消費者重點關注座椅振動、聲音感受等。尤其是目前發動機起停系統的普及，發動機起停工況變得頻繁，發動機起動過程中的噪聲、抖動問題變成影響消費者對車輛NVH 性能評價好壞的首要問題。發動機起動過程中，起動機上的電磁線圈通電吸合，通過杠桿作用將起動機小齒輪向外推出去（或彈出）與飛輪齒圈嚙合，起動機帶動飛輪高速旋轉，ECU 控制噴油器噴油、控制點火線圈點火；發動機正常運轉后拖動起動機轉動，ECU 檢測到發動機轉速滿足起動機脫離轉速閾值，斷開繼電器使起動機小齒輪退回原位，起動過程完成[2]。整個起動過程中，起動機小齒輪彈出與飛輪嚙合過程、起動機帶動飛輪運轉過程中切割磁感線以及起動機小齒輪退回原位過程都會產生噪聲[3]。本文對某車型起動時退齒異響問題產生的機理進行分析，測試起動異響噪聲的來源，通過試驗驗證起動機P 軸齒輪參數對起動機退齒噪聲的影響，從而提出相應的整改措施。單體的NVH 性能測試、整車噪聲測試及主觀評價結果表明，此異響得到有效降低。

1 起動異響故障機理分析

1.1 起動機結構

起動機結構示意圖如圖1 所示。

圖1 起動機結構示意圖

1.2 發動機起動過程

發動機起動過程主要分為5 個階段：

1）起動機帶動發動機轉動；

2）整車ECU 控制點火系統開始工作；

3）ECU 判定點火成功后，通過轉速傳感器確定發動機轉速是否達到起動機退出轉速；

4）如果達到了起動機退出轉速，ECU 控制繼電器斷開起動機電磁開關電源；

5）起動機小齒輪退回原位，起動電樞停止運轉，完成整個起動過程。

1.3 起動過程異響產生的機理

起動過程異響產生的機理如圖2 所示：

圖2 發動機起動過程異響產生機理

在發動機起動過程的不同階段，會產生不同的噪聲，其產生的機理也不盡相同。圖2 中，a 階段主要表現為撞擊異響，b 階段主要表現為敲齒異響，c 階段主要表現為退齒異響、拖尾聲及電磁噪聲。

1）起動機小齒輪通過電磁開關彈出，起動機開始旋轉，齒輪撞擊飛輪齒圈，產生撞擊異響。如圖2中a 階段所示。

2）小齒輪與飛輪齒輪進行嚙合，起動機帶動發動機旋轉。發動機開始點火時，由于每缸點火時間短，轉速波動較大，這時會沖擊起動機齒輪，產生敲擊異響。如圖2 中b 階段所示。

3）發動機平均轉速為500 r/min 左右時，起動機斷電，開始退出。退出時，由于P 軸齒輪的螺旋角較大，使小齒輪能快速回位，小齒輪撞擊起動機本體產生退齒異響。如圖2 中c 階段所示。

本文主要討論退齒異響：發動機ECU 監控發動機轉速，當轉速達到預設轉速閾值，ECU 斷開繼電器，起動小齒輪退回，退回后起動機單向器齒輪與起動機本體撞擊產生碰撞聲。

針對退齒異響問題，主要的解決方案有：

1）減小電磁開關的回位彈簧力，降低單向器與小齒輪的沖量，從而降低撞擊時的噪聲。

2）減小P 軸齒輪的螺旋角，降低小齒輪的回位速度分量，降低單向器與小齒輪的沖量，從而降低撞擊時的噪聲。

2 起動異響故障案例解析

某新車型在試乘試駕時，反饋車輛在起動過程中聲音品質差，存在明顯的敲齒及退齒異響，主觀評價為5 分，易引起客戶抱怨，不可接受。針對此問題，為了便于更好地分析，進行起動過程音頻數據采集，將起動異響轉化為工程化的振動和噪聲頻譜圖如圖3 所示。

圖3 起動機近場噪聲頻譜

從圖3 所示的噪聲頻譜圖中可以明顯觀察到，起動機在常溫起動過程中，退齒時，起動機近場噪聲約為95 dB（A），主觀評價不可接受。

3 起動異響故障排查

對起動機硬件結構及齒形參數進行校核，結合起動機異響故障機理，對NVH 性能測試數據進行分析，初步懷疑起動異響與起動機P 軸齒輪的螺旋角、側隙有關。

表1 為異響起動機與競品起動機的P 軸齒輪參數對比。

表1 P 軸齒輪參數對比

表1 中，異響起動機的P 軸齒輪齒數比競品起動機少1 個，但齒數主要與強度相關，不是起動異響問題的主因。異響起動機的P 軸齒輪螺旋角、側隙均比競品起動機大，在不連續的齒輪傳動過程中，大的螺旋角導致退齒時單向器旋轉速度分量更大，傳遞的敲擊能量更大；大的側隙會傳遞更大的敲擊能量。

4 設計優化及效果驗證

4.1 設計優化方案

對影響退齒異響的P 軸齒輪螺旋角及側隙進行優化，并將齒數改為10。優化后的P 軸齒輪參數與原始參數對比見表2。

表2 P 軸齒輪原始參數與優化后參數對比

4.2 效果驗證

為驗證P 軸齒輪參數優化對降低起動機異響的效果，本文將優化前后的樣件在同一輛試驗車上進行實車起動過程NVH 性能測試，主要是對起動過程中的起動機近場及駕駛室的NVH 性能進行測試。優化前的NVH 性能測試結果如圖3b 所示，優化后的NVH 性能測試結果如圖4 所示。

圖4 優化后的NVH 性能測試結果（5 500～7 500 Hz）

對比圖3b 和圖4 可以看出，優化后，起動機退齒噪聲由95 dB（A）降低至92 dB（A）。

通過對駕駛室內主觀評價，主觀評價評分從原來的5 分增加至7 分，可接受。

對比測試結果及主觀評價可知，優化后的方案對降低起動異響效果明顯，車輛起動過程中的振動和噪聲明顯減小，NVH 性能顯著提高。

5 結論

本文通過對起動異響機理進行分析，得出起動機P 軸齒輪的螺旋角與側隙對起動機退齒異響產生影響。通過減小起動機P 軸齒輪螺旋角、側隙，有效降低了某車型起動過程中的退齒異響，為新車型起動機開發提供了一定的參考。