李 樂 孫立永 屈 偉 張建川 尚 運(1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心)
減小柴油機凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙對整機寬頻噪聲改善的研究
李樂1,2孫立永1,2屈偉1,2張建川1,2尚運1,2
(1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心)
為改善某四缸增壓柴油發(fā)動機的NVH(Noise Vibration and Harshness)性能,通過改變發(fā)動機凸輪軸傳動齒輪嚙合側(cè)隙并對振動及噪聲進行測試,結(jié)果顯示:減小凸輪軸傳動齒輪嚙合側(cè)隙對發(fā)動機寬頻噪聲有明顯改善。
柴油機NVH凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙
日益加嚴的油耗指標使柴油機的節(jié)油性能要求凸顯,但柴油機存在振動大、噪聲明顯等缺陷。
在對某柴油發(fā)動機以及搭載整車后的全評價過程中發(fā)現(xiàn):此柴油發(fā)動機缸蓋前端及頂部振動及噪聲不滿足最終要求。經(jīng)分析測試,最終鎖定凸輪軸傳動齒輪的機械噪聲為主要噪聲源[1]。因此,本文對此柴油發(fā)動機的配氣機構(gòu)噪聲進行分析并改善,通過調(diào)整配氣機構(gòu)傳動齒輪嚙合側(cè)隙改善整機寬頻噪聲[2]。
側(cè)隙指兩個相配合齒輪的工作齒面相接觸時,兩個非工作齒面之間所形成的間隙[3]。
本文所涉及的研究對象為2.0L雙頂置凸輪軸渦輪增壓柴油機,最大功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速為120kW (4 000r/min),最大扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速為350N·m (1 600r/min~2 800r/min)。
進、排氣凸輪軸傳動形式為齒輪傳動,齒輪布置形式如圖1所示,主、從動齒輪均為直齒輪,主要參數(shù)見表1。
圖1 凸輪軸齒輪布置形式
表1 主、從動齒輪部分參數(shù)
發(fā)動機整個噪聲及振動測試過程,始終在配置有冷卻水恒溫系統(tǒng)和燃油恒溫系統(tǒng)的AVL電力測功機試驗臺的消聲室進行,消聲室內(nèi)部基礎(chǔ)噪聲為25dB(A)。
發(fā)動機上傳感器以及發(fā)動機正上方1m處麥克風(fēng)布置形式如圖2所示,所測得的噪聲以及振動信號可在相應(yīng)的PC上采集記錄。
圖2 傳感器及麥克風(fēng)布置形式
此2.0L柴油機凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙原始設(shè)計值為0.14~0.196mm。以此間隙設(shè)計值為基礎(chǔ),分別從尖銳度、語音清晰度以及聲音粗糙度三方面對發(fā)動機聲品質(zhì)進行測試,測試結(jié)果如圖3所示。
圖3 原凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙狀態(tài)整機聲品質(zhì)水平
整機噪聲水平如圖4所示。
基于上述聲品質(zhì)及噪聲數(shù)據(jù)。對凸輪軸傳動齒輪嚙合側(cè)隙進行調(diào)整[4],探究不同的齒輪嚙合側(cè)隙對發(fā)動機NVH水平的影響。
圖4 整機噪聲水平
在實際工程制造中,對研究對象所測得的側(cè)隙為法向側(cè)隙,所謂法向側(cè)隙是指當兩個齒輪的工作面相互接觸時,其非工作齒面之間的最短距離[3]。保證法向側(cè)隙的方法為:
1)在凸輪軸承蓋與缸蓋合件加工過程中,在進、排氣凸輪軸軸承孔中心距理論值固定,控制中心距的加工公差。
2)以跨齒數(shù)4個為基礎(chǔ),控制主、從動齒輪的公法線長度極限公差以保證所需的側(cè)隙值。
在設(shè)計允許范圍內(nèi),分別選取嚙合側(cè)隙值為0.04mm,0.06mm以及0.12mm的3組不同嚙合側(cè)隙配合方式在原發(fā)動機基礎(chǔ)上進行測試。
試驗條件及傳感器布置情況與測試原狀態(tài)嚙合側(cè)隙時保持一致。
3.1發(fā)動機聲品質(zhì)分析
不同嚙合側(cè)隙的發(fā)動機聲品質(zhì)測試結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同嚙合側(cè)隙狀態(tài)發(fā)動機聲品質(zhì)對比
由圖5可知,減小凸輪軸傳動齒輪嚙合側(cè)隙,發(fā)動機頂面噪聲粗糙度、尖銳度和語音清晰度均有明顯改善,并且存在間隙越大,聲品質(zhì)越差的趨勢。
3.2發(fā)動機噪聲分析
不同嚙合側(cè)隙值情況下整機噪聲測試結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同側(cè)隙狀態(tài)整機噪聲對比
由圖6可知,在發(fā)動機進、排氣側(cè),正時側(cè)與頂部噪聲及發(fā)動機整機噪聲隨凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙值減小而減小。
因此減小傳動齒輪嚙合側(cè)隙,可以改善發(fā)動機的整體聲品質(zhì)與噪聲水平。
為進一步研究傳動齒輪嚙合側(cè)隙對發(fā)動機噪聲的影響,對發(fā)動機怠速及空載加速工況進行進一步測試與分析。
3.3頂部噪聲頻譜對比
對發(fā)動機頂部1m處聲壓級進行測試,測試條件為:相同條件的消聲室,測功機與發(fā)動機斷開連接軸,發(fā)動機利用起動機著車,保持在發(fā)動機怠速(750r/min)情況下,測試結(jié)果如圖7所示。
圖7 發(fā)動機頂部1m處聲壓級變化
從圖7可以看出:在1 800Hz以上,發(fā)動機頂部1m處噪聲降低6.2dB(A);頂部噪聲隨不同齒輪嚙合側(cè)隙降低的趨勢一致,齒輪嚙合側(cè)隙值越小,1m處聲壓級降低越明顯。
3.4發(fā)動機空載加速噪聲頻譜對比
以頂端噪聲頻譜隨凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙變化規(guī)律為基礎(chǔ),對發(fā)動機1m處聲壓級在空載加速工況的噪聲進行測試并分析結(jié)果,選取原狀態(tài)凸輪軸嚙合側(cè)隙值(0.14~0.196mm)與0.04mm凸輪軸嚙合側(cè)隙值進行測試,測試結(jié)果如圖8所示。
圖8 發(fā)動機空載加速噪聲頻譜對比
從圖8可以看出,發(fā)動機1m處聲壓級噪聲在空載加速工況下隨凸輪軸齒輪側(cè)隙的減小而降低,且減小明顯,最高可降低3.4dB(A)。
上述兩種嚙合側(cè)隙值情況下,對30cm近場噪聲進行測試,測試結(jié)果如圖9所示。
圖9 缸蓋近場噪聲測試
從圖9可以看出,發(fā)動機缸蓋頂部與后端30cm處近場噪聲隨齒輪側(cè)隙減小而減小;中低轉(zhuǎn)速改善明顯,但改善效果隨轉(zhuǎn)速增大而減小。
3.5極限間隙情況驗證
根據(jù)生產(chǎn)情況,選取極限值0.03mm、0.083mm與隨機情況0.033mm進行連軸怠速情況NVH測試,測試結(jié)果如圖10所示。
圖10 極限間隙與隨機間隙噪聲測試
從圖10可以看出:0.03mm和0.033mm側(cè)隙,整機噪聲相差不大,比0.083mm側(cè)隙小1.4dB(A)。
頂部1m處聲壓級測試結(jié)果如圖11所示。
圖11 頂部1m處聲壓級測試結(jié)果
從圖11可以看出:1 800~8 000Hz頂部噪聲,嚙合側(cè)隙0.03mm和0.033mm相差不大,比0.083mm小3dB(A),0.083mm側(cè)隙噪聲不可接受。
凸輪軸軸承蓋振動情況如圖12所示。
圖12 凸輪軸軸承蓋振動情況
從圖12可以看出:1 800~8 000Hz凸輪軸軸承蓋后端Y向振動,嚙合側(cè)隙0.03mm和0.033mm相差不大,比0.083mm小1倍。
空載加速工況測試結(jié)果如圖13所示。
圖13 空載加速工況
從圖13可以看出:空載加速工況,對于不同側(cè)隙各面噪聲相差不大。
1)在設(shè)計值允許范圍內(nèi),減小凸輪軸傳動齒輪嚙合側(cè)隙,發(fā)動機聲品質(zhì)有明顯改善,嚙合側(cè)隙最大值控制到0.08mm范圍內(nèi)。
2)發(fā)動機進排氣側(cè)、正時側(cè)、頂部噪聲及整機噪聲隨凸輪軸齒輪嚙合側(cè)隙值減小而減??;且側(cè)隙值越小,1m處聲壓級噪聲降低越明顯。
3)發(fā)動機缸蓋頂部與后端近場噪聲隨齒輪嚙合側(cè)隙減小而減小;中低轉(zhuǎn)速改善明顯,但改善效果隨轉(zhuǎn)速增大而減小。
4)對于0.083mm側(cè)隙,排氣側(cè)和頂部噪聲較大,聲音雜,不能接受。
因此從NVH方面考慮,此四缸柴油機凸輪軸傳動齒輪間隙確定為0.03mm~0.08mm。
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Research of the Relations Between CamshaftGear Backlash and Diesel Engine'sNVH
LiLe1,2,Sun Liyong1,2,Qu W ei1,2,Zhang Jianchuan1,2,Shang Yun1,2
1-Technical Center,GreatWallMotor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China)2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center
For improving the NVH(Noise Vibration and Harshness)of 4-cylinder turbocharger diesel engine,a research and testof adjusting the camshaftgear backlash proves that the backlash effects NVH. NVH improvesobviouslywith decreasing the camshaftgear backlash.
Dieselengine,NVH,Camshaft,Gear,Backlash
TK423.4+1
A
2095-8234(2016)02-0043-05
2016-01-03)
李樂(1985-),女,助理工程師,主要從事柴油機研制與開發(fā)。