劉 旭，陳曉陽，王 朋，Ben Ni

（1.上海大學 機電工程與自動化學院,上海 200072；2.福特汽車公司,底特律 密歇根州 26-22000美國）

發(fā)動機與變速箱和底盤并稱汽車的三大核心部件，同時又是汽車的心臟，圖1給出了汽車發(fā)動機結構剖面照片。設計技術的不斷改進和應用使發(fā)動機的噪聲控制取得突破，大幅度降低的發(fā)動機噪聲提高了駕駛的舒適度，但卻使發(fā)動機內(nèi)部原先被其他機械噪聲所掩蓋的類似機械打字聲的無規(guī)律主軸軸承噪聲浮現(xiàn)出來。這種主軸承的噪聲是在汽車運行過程中發(fā)動機艙發(fā)出的類似打字的無規(guī)律噪聲，且聲音較大，特別在汽車空檔怠速狀態(tài)時尤其明顯，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速約為600 r/min。通過更換潤滑油、加入添加劑等維修措施后，只能短暫消除噪聲，并不能從根本上解決這個問題。此噪聲不僅影響駕駛者的心理，也會對汽車廠家的收益和品牌形象造成負面影響。所以該問題的解決對汽車廠商來說具有重要的意義。

2002年，Aoyama做了柴油機主軸承空穴引起的噪聲問題的分析[1]，文中認為振動信號和噪聲信號有密切相關性，并利用測試振動的方法對噪聲進行評估，認為主軸承中的空穴是發(fā)動機產(chǎn)生噪聲的主要原因，重點分析了存在的激振力、曲軸軸頸系統(tǒng)不穩(wěn)定特性和油膜空穴三者對于噪聲的影響，利用模擬分析的方法分別對這三個條件進行檢測。最終發(fā)現(xiàn)僅三者同時滿足的情況下噪聲才產(chǎn)生，但只對噪聲和空穴的關系進行了簡單的定性分析。2012年，Kimura做了柴油機凸輪軸承噪聲分析[2]，采用振動信號預估噪聲，聯(lián)立發(fā)動機載荷方程與雷諾方程，得到了發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油膜厚度、油膜壓力等一系列參數(shù)，認為發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機載荷、油溫等因素對空穴的產(chǎn)生有很大的影響。進一步分析可得，這些因素通過影響軸承載荷、最小油膜厚度、油膜壓力等因素進一步影響空穴，從而影響噪聲。在油溫低于100℃或者轉(zhuǎn)速高于1 500 r/min時，空穴無法形成，噪聲也無法產(chǎn)生。發(fā)動機主軸承噪音主要發(fā)生在排量為5升及以上的乘用車上，而在中國大排量乘用車并未普及，故發(fā)動機主軸承噪音這一問題在我國并未突顯，缺乏相應的研究。目前國內(nèi)外對于發(fā)動機主軸承噪聲的研究僅停留在計算機模擬仿真階段，均認為發(fā)動機類似打字般無規(guī)律的噪聲與空穴有關，但缺乏相關的試驗驗證與研究。

發(fā)動機主軸承的工況較為復雜，同時存在動載擠壓效應和旋轉(zhuǎn)剪切效應，其中的動載擠壓效應對空穴的影響更為直接。為了簡化問題，便于觀察，同時突出發(fā)動機主軸承動載擠壓效應的影響，以課題組原有擠壓油膜力測量試驗機為基礎[3-4]，將其改造成擠壓油膜噪聲試驗機[5]，使其能夠?qū)υ肼暤认嚓P信號進行同步測量。在此基礎上研究了油膜異常噪聲的產(chǎn)生原因，并探討了油量和平行板間傾斜角的變化對該異常噪聲的影響

1 試驗機結構

試驗機原理和實物分別如圖2、圖3所示。激振器為擠壓運動提供動力，牽引動支架進行上下擠壓運動。根據(jù)日本工業(yè)標準要求[6]，聲音傳感器應放置在距離聲源位置10 cm處。按上述要求放置聲音傳感器，同時為了確保試驗數(shù)據(jù)之間的可對比性和準確性，該傳感器在測量時固定在同一位置。

圖3 試驗機實物圖

振動傳感器安裝在下底板底部用于測量聲音作用于下平行板的振動信號并研究振動與噪聲信號的關聯(lián)性。力傳感器安裝在激振器與動支架之間，能同時測量拉力和壓力，當數(shù)值為正時表示壓力，當數(shù)值為負時表示拉力，用于測量激振器施加給油膜的實際力的大小。3個位移傳感器放置在油池中用于測量擠壓運動實際的位移變化。高速CCD通過45°角放置的反光鏡可以清楚看到擠壓油膜的動態(tài)變化。所用硬件設備可實現(xiàn)擠壓振幅在1 mm內(nèi)時的聲壓、振動、位移、擠壓力和油膜圖像的同步測量與拍攝。

圖4為試驗機測控系統(tǒng)圖，信號發(fā)生器發(fā)出正弦信號，并由功率放大器放大，可隨時連續(xù)調(diào)節(jié)振動頻率、輸出振幅；穩(wěn)壓電源則為電渦流位移傳感器提供恒定24 V電壓；信號采集系統(tǒng)用于采集傳感器輸出的信號，并把相應的數(shù)據(jù)輸入電腦，將傳感器的信號顯示到電腦上，測控系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

2 試驗結果分析

2.1 試驗條件

在試驗開始之前，需要對試驗的背景噪聲做一個初步的測定。開啟所有試驗所需的儀器，但是并不對油膜進行擠壓，采集60 s的聲音如圖5所示，噪聲值聲壓基本穩(wěn)定在0.1 Pa，此時的噪聲主要來源于儀器工作噪聲和環(huán)境噪聲。背景噪聲的測定對后續(xù)的試驗具有重要的參考意義。

圖4 測控系統(tǒng)流程圖

圖5 背景噪聲信號

完成環(huán)境噪聲測試后，開始測量試驗噪聲，試驗條件如表1所示。汽車發(fā)動機主軸承噪音主要產(chǎn)生在汽車怠速的狀態(tài)下，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速在600 r/min時，所以試驗中的擠壓頻率設置為10 Hz。

表1 試驗條件

2.2 油膜噪聲產(chǎn)生原因

在上述試驗條件下，采集到一次噪聲產(chǎn)生時的聲音信號，如圖6所示。

圖6 噪聲信號

可以看到在絕大部分時間里聲壓都在0.5 Pa以下，甚至更低。但是當最大噪聲出現(xiàn)時，聲壓在一瞬間超過了4 Pa，可見噪聲出現(xiàn)時音量遠大于背景噪聲，識別度高。同時還應該注意到聲壓為4 Pa的最大噪聲出現(xiàn)前還有一次聲壓為1 Pa的噪聲。同一時刻的振動信號如圖7所示。

圖7 振動信號

可以觀察到，當聲音達到最大值時，振動信號也隨之達到了最大值。但同時也應該觀察到在56.4 s之前振動信號出現(xiàn)大的峰值時并沒有產(chǎn)生大的噪聲信號。所以大的振動信號只是大的噪聲信號產(chǎn)生的必要不充分條件?？梢娬駝有盘柡吐曇粜盘柧哂幸欢ǖ南嚓P性，但還是有不同之處，并不能只通過振動信號來測試噪聲。

為了明確噪聲產(chǎn)生和位移之間的關系，把上述試驗同步采集到的位移信號和聲壓信號放在同一個圖中進行對比，如圖8所示。

圖8 位移與聲壓信號的同步

可以觀察到聲壓為1 Pa的小噪聲在位移上升過程產(chǎn)生，而聲壓為4 Pa的大噪聲在下降過程中產(chǎn)生。位移下降過程中產(chǎn)生的噪聲的聲壓遠大于位移上升過程中噪聲的聲壓，也就是說噪聲主要在平板向下做擠壓運動時產(chǎn)生。同時可以觀察到噪聲產(chǎn)生后振幅變小，短時間內(nèi)再無大噪聲產(chǎn)生。

油膜在一定的負壓下會產(chǎn)生空穴[6]，研究產(chǎn)生聲音時的空穴形貌動態(tài)變化是本試驗的重點之一。在上述試驗條件下，另外做了一組試驗，對采集到產(chǎn)生聲音時的空穴狀態(tài)進行觀察，研究空穴是如何導致聲音產(chǎn)生的。圖9為采集到的一組聲音信號，其中x軸為時間，單位是s，y軸是聲壓，單位是Pa。時刻為10.612 s和10.628 s的兩個聲音都是在一個周期內(nèi)產(chǎn)生的，10.612 s的聲音是位移上升時產(chǎn)生的，而10.628 s的聲音是在位移下降時產(chǎn)生的，空穴產(chǎn)生與破裂的過程，見圖10。

圖9 聲音信號

圖10 出現(xiàn)聲音時空穴產(chǎn)生與破裂過程

從圖中可以看出，在10.620 s時空穴體積最大，也就是上平板上升速度達到峰值的時刻。而10.612 s是剛產(chǎn)生空穴的時刻，10.628 s是空穴破裂消失的時刻。從空穴形成的整個過程可以看出，隨著上板的上移，油膜中形成空穴并逐漸增大，并在側壁與外界大氣接觸之后最終形成爆炸式空穴。10.612 s出現(xiàn)的聲音就是由于外界大氣進入所產(chǎn)生的，10.628 s產(chǎn)生的聲音是由于空穴的側壁與外界大氣連通，發(fā)生急劇破裂，造成空氣急速流出而產(chǎn)生的。初步判斷聲音的產(chǎn)生與空穴有關，是由于空穴的破裂側壁與外界大氣連通造成的。

為了論證這個推測，更方便觀察空穴的破裂側壁與外界大氣連通過程，將下底板的直徑更換為40 mm，試驗條件保持不變，圖11為采集到的一段聲音信號及對應的空穴圖像，b點和c點是一個循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)的兩次聲音信號，a點為上一循環(huán)的聲音信號?？梢钥闯鯽點的圖像邊緣有個氣泡，這個氣泡即為外界的大氣，這時外界大氣并未與平板中心的空穴連通，此時的聲音很??；而從b點和c點的圖像可以看出空穴的破裂側壁已與外界大氣相連通，在c點可明顯看到空穴爆破的瞬間，空穴急劇破裂造成空氣急速流出，邊緣處呈喇叭狀的開口，這一瞬間聲音信號達到峰值。

圖11 聲音與圖像位置圖

從采集到的聲音信號圖像中也可以得到與圖8相同的結論，當產(chǎn)生此大聲壓后，短時間內(nèi)無很大噪聲產(chǎn)生。這是由于隨著擠壓運動的進行，空穴出現(xiàn)聚集效應，使油膜的束縛力逐漸變小，擠壓的振幅逐漸變大，外界大氣有逐漸進入兩平行板的趨勢，當振幅足夠大時，外界大氣進入，完全與空穴的破裂側壁連通后，瞬間會出現(xiàn)一次大的聲音現(xiàn)象，而后油膜力瞬間變大，使激振力短時間無法掙脫油膜力，擠壓振幅瞬間減小，從而造成短時間內(nèi)的無聲音現(xiàn)象，并隨著擠壓運動的進行逐漸進入下一個掙脫油膜力的過程，試驗中聲音就是在這樣的過程中出現(xiàn)的。油膜力的無規(guī)律變化導致油膜噪聲的產(chǎn)生也是無規(guī)律的。通過對試驗的信號和圖像分析可知：油膜噪聲主要在上平板向下運動過程中產(chǎn)生的。同時油膜噪音的產(chǎn)生與空穴有關，是由于空穴的破裂側壁與外界大氣連通造成的。

2.3 油量的影響

發(fā)動機的主軸承通過溝槽供油，可能存在供油不足的問題。觀察到大的噪聲是在空穴的破裂側壁與外界大氣連通時產(chǎn)生的，可猜測噪聲的產(chǎn)生是否與油量多少有關。當油量不足時，會使油膜空穴的破裂側壁與外界大氣更容易連通，從而產(chǎn)生噪聲。為了驗證該猜測，研究油量對噪聲的影響。

試驗前需對添加的潤滑油油量做精確的數(shù)值計算及標記，根據(jù)油池中各部件的尺寸計算可知每加入1 mm的潤滑油，潤滑油上表面的高度增加0.09 mm，如圖12所示。

圖12 潤滑油高度示意圖

試驗前在油池中加入229.3 mL潤滑油，使初始潤滑油上表面高度高于下平板上表面高度h=0.36 mm，試驗時每加入1 mL潤滑油做一組試驗并記錄相關的試驗數(shù)據(jù)。因為噪聲的產(chǎn)生是無規(guī)律的，為方便對比，統(tǒng)計各組試驗五分鐘內(nèi)聲音出現(xiàn)的次數(shù)。計算得到潤滑油上表面高于下平板上表面的高度h分別為0.36 mm、0.45 mm、0.54 mm、0.63 mm、0.72 mm。試驗條件為：除潤滑油油量外，其余與表1中的試驗條件一致，研究10 Hz下油量的影響，統(tǒng)計出現(xiàn)特定聲壓的次數(shù)，如圖13所示。

圖13 擠壓頻率為10 Hz時油量對噪聲的影響

從圖中可以看出，在10 Hz的擠壓頻率下，隨著油量的增多，噪聲出現(xiàn)的次數(shù)呈遞減趨勢，并且聲壓大于0.5 Pa、大于1 Pa、大于2 Pa的噪音出現(xiàn)次數(shù)均呈遞減趨勢。這是由于油量增多，在其他條件不變的情況下，外界大氣進入擠壓油膜與空穴的破裂側壁連通的次數(shù)減少了，出現(xiàn)噪聲的現(xiàn)象就少了，驗證了之前的假設。

為了進一步驗證上述關于油量的結論，又在相同的試驗條件下，更改擠壓頻率為8 Hz，進行試驗并記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出現(xiàn)特定聲壓的次數(shù)，見圖14。

圖14 擠壓頻率為8 Hz時油量對噪聲的影響

從圖中可以觀察到在8 Hz的擠壓頻率下，噪聲與油量的關系趨勢與10 Hz的擠壓頻率相同。同時我們觀察到相同條件下，不同的擠壓頻率產(chǎn)生的噪音也不一樣，關于頻率的影響會在后續(xù)的工作中展開研究。此外還發(fā)現(xiàn)，在圖13和圖14中，聲壓分別大于2 Pa和0.5 Pa的次數(shù)曲線雖然在整體上是下降趨勢，但在末端個別點出現(xiàn)了輕微的上升，這是因為油膜噪聲的產(chǎn)生是無規(guī)律間隔的，具有一定的隨機性。只有當試驗時間足夠長時才能減小因隨機性產(chǎn)生的誤差，試驗中已通過延長單次試驗時長和重復多次試驗取平均值的方法盡量規(guī)避這種試驗誤差的產(chǎn)生。

2.4 傾斜角度的影響

發(fā)動機曲軸在活塞的沖擊以及裝配精度的影響下，曲軸與主軸承之間有可能有一定的同軸度誤差，即對應于試驗中上平板的偏斜。受油膜力和擠壓力的動載影響，試驗過程中有可能會存在偏斜的可能，偏斜后增加了油膜空穴的破裂側壁與外界大氣連通的幾率。為了驗證該結論，研究了上平板的傾斜角度對聲音的影響。

位移傳感器的位置如圖15所示。三個位移傳感器呈120°等間距放置，組成等邊三角形，將傳感器3號處的動支架上調(diào)一點距離s，如俯視圖所示，根據(jù)反正弦函數(shù)即可求得其夾角A的具體大小，即為兩平行板的偏斜角度。聲壓大于0.5 Pa、大于1 Pa、大于2 Pa的噪音在不同傾斜角度下出現(xiàn)的次數(shù)如圖16所示。

圖15 三個位移傳感器位置

圖16 不同傾斜角工況下出現(xiàn)聲壓的次數(shù)

可以觀察到隨著偏斜角度的增大，聲壓大于0.5 Pa、大于1 Pa、大于2 Pa時噪聲的出現(xiàn)次數(shù)增大。說明上平板的偏斜角度對噪聲是有影響的。偏斜角度增大，增加了外界大氣與空穴的破裂側壁連通的機會，使其更容易產(chǎn)生噪聲。

同時結合圖像可知，兩平行板的平行度決定形成空穴的位置，若兩平行板相互平行，空穴是從平行板的中心位置開始形成。本試驗中位移傳感器3處的間距要大于1、2處，空穴更容易在間隙小的地方形成，所以空穴的中心位置偏離位移傳感器3所在的位置，從平行板中心往上偏移，見圖17。

圖17 傾斜角存在時空穴形成時圖片

而空穴消逝排出的位置是在間隙相對大的地方，即位移傳感器3所在的位置，如圖18所示。

其中圖片的底部就是位移傳感器3所在的位置。

圖18 傾斜角存在時空穴排出時圖片

3 結語

（1）結合圖像可知，聲音的產(chǎn)生與空穴有關，當空穴的破裂側壁與外界大氣連通時，會產(chǎn)生無規(guī)律異常噪聲，并在空穴急劇破裂造成空氣急速流出的瞬間產(chǎn)生。

（2）位移下降過程中噪聲的聲壓遠大于位移上升過程中的聲壓，也就是說較大噪聲主要在上平板向下做擠壓運動時產(chǎn)生，這是因為下降過程中空穴的破裂側壁會與外界大氣連通。

（3）油量的多少在很大程度上決定了噪聲出現(xiàn)的次數(shù)，隨著油量的減少，噪聲更容易產(chǎn)生。油量減少增加了外界大氣與空穴接觸的機會，所以更容易出現(xiàn)大的噪聲。

（4）上平板的偏斜角度對噪聲是有影響的，隨著偏斜角度的增大，出現(xiàn)噪聲的次數(shù)也隨之增大。偏斜角度增大增加了外界大氣與油膜空穴的破裂側壁接觸的機會，使其更容易產(chǎn)生噪聲。

參考文獻：

[1]TAKAYUKI A,ATSUSHI K.Analysis of noise occurrence by cavitation in the main bearing of diesel engine[J].JSAE Review,2003,24:59-64.

[2]JOUJI K,AYUMI K.Analysis of ticking noise from cam bearing of a diesel engine[J].SAE International.2012,1:1571-1580.

[3]SUN M L,ZHANG Z M,CHEN X Y.Experimental study ofcavitation in an oscillatory oilsqueeze film[J].Tribology Transactions,2008,51:341-350.

[4]CHEN X Y,SUN M L,WANG WEN,et al.Experimental investigation of time dependent cavitation in an oscillatory squeeze film[J].Science in China Series G:Physics,Mechanics&Astronomy,2004,47:107-112.

[5]王朋，陳曉陽，劉旭.平行板擠壓油膜噪聲試驗設計[J].機械設計與研究，2017，33(3)：126-130.

[6]JIS B 1548-1995.Rolling bearings-measuring methods of a-weighted sound pressure levels[S].Japan,1995.

[7]方曦東，蘇葒，劉楓，等.擠壓油膜實驗研究初探[J].太原重型機械學院學報，2002，23：14-16.