劉亞奇，吳恢棟，趙國超，曹永偉，馬瑞瑄

摘要： 針對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，在半消聲試驗(yàn)室進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況主軸承處潤滑油擠壓高頻噪聲的影響因素測(cè)試。研究過程基于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承座振動(dòng)測(cè)試和曲軸運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試，重點(diǎn)分析了潤滑系統(tǒng)特征和主軸承結(jié)構(gòu)特征以及曲軸軸承支撐方式對(duì)高頻擠壓噪聲的影響。結(jié)果表明：潤滑油黏度、潤滑油含氣量、主軸承間隙、主軸頸形狀和軸承支撐方式等均對(duì)主軸承座異常振動(dòng)產(chǎn)生影響；當(dāng)軸承載荷小，軸心偏心距較大，曲軸自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，主軸承潤滑油壓力升高，潤滑油內(nèi)的氣泡被擠壓產(chǎn)生高頻的氣泡破裂噪聲，并伴隨主軸承座異常振動(dòng)；當(dāng)曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定且軸心軌跡平順時(shí)，主軸承座異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速升高，高頻噪聲不易識(shí)別。

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī)；主軸承座；振動(dòng)；高頻噪聲；軸心軌跡

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.008

中圖分類號(hào)：TK421.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B文章編號(hào)： 1001-2222（2024）03-0046-04

隨著汽車保有量急劇增加，人們對(duì)生活品質(zhì)不斷追求，汽車的NVH性能越來越受到重視，且采用新技術(shù)新方法進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的研究越來越成熟［1-3］。車用發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲類型較多，現(xiàn)階段研究以識(shí)別振動(dòng)噪聲源［4］為主，如采用動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力潤滑耦合振動(dòng)進(jìn)行活塞拍擊研究［5］，曲柄連桿機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與油膜動(dòng)力潤滑耦合仿真研究［6］，更多關(guān)注潤滑系統(tǒng)整體的分析及運(yùn)動(dòng)件的相互作用，而對(duì)潤滑油流動(dòng)產(chǎn)生的高頻噪聲鮮有研究。

本研究針對(duì)小型增壓柴油機(jī)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)半消聲NVH測(cè)試和曲軸運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試，分析潤滑系統(tǒng)特征參數(shù)、主軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)和曲軸軸承支撐方式等對(duì)潤滑油高頻擠壓噪聲影響程度和噪聲產(chǎn)生機(jī)理，確定了潤滑油高頻擠壓噪聲、主軸承振動(dòng)以及軸心軌跡平順性的關(guān)系。

1半消聲試驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)與研究對(duì)象

發(fā)動(dòng)機(jī)在半消聲室進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。測(cè)試系統(tǒng)主要包括AVL電渦流測(cè)功機(jī)、IndiModul 621燃燒分析儀、AVL 439煙度計(jì)、HORIBA排放分析儀、渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及電控系統(tǒng)等。主要測(cè)試數(shù)據(jù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃燒數(shù)據(jù)、中冷前后溫度和壓力、渦輪機(jī)前后溫度和壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)、潤滑系統(tǒng)溫度和壓力等。試驗(yàn)要求發(fā)動(dòng)機(jī)完成磨合，冷卻液溫度穩(wěn)定在85 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，振動(dòng)測(cè)試按定負(fù)荷瞬時(shí)加速進(jìn)行。

研究對(duì)象為一款2.4 L排量渦輪增壓高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，表1列出了該柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。該發(fā)動(dòng)機(jī)具有標(biāo)定功率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、本體緊湊、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。為了達(dá)到高性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高壓EGR和高壓共軌系統(tǒng)。

為深入研究高頻噪聲發(fā)生機(jī)理，采用軸心軌跡測(cè)試和主軸承振動(dòng)相結(jié)合方式進(jìn)行分析?；跍u流效應(yīng)，采用電渦流式傳感器測(cè)定兩點(diǎn)距離，計(jì)算得出軸心實(shí)時(shí)位置，并描繪出軸心運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。電渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、不受油污影響等優(yōu)點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量。

圖2示出傳感器在主軸承座的布置形式，傳感器布置夾角為50°。軸心軌跡轉(zhuǎn)化由下式計(jì)算：

［（Rb－h(huán)1）sinα1－x］2+

［（Rb－h(huán)1）cosα1+z］2=Rj2，（1）

［（Rb－h(huán)2）sinα2+x］2+

［（Rb－h(huán)2）cosα2+z］2=Rj2。（2）

式中：Rb， Rj為主軸承孔和曲軸主軸頸尺寸，Rb=70.035 mm，Rj=70.004 mm；α1和α2為傳感器布置角度，α1=α2=25°；h1，h2為測(cè)量值。通過公式可以求得曲軸軸心的X，Z坐標(biāo)，即軸心位置。

2影響因素試驗(yàn)與潤滑油擠壓高頻噪聲分析

2.1半消聲室發(fā)動(dòng)機(jī)加速噪聲分析

在半消聲試驗(yàn)室對(duì)該研究對(duì)象進(jìn)行加速振動(dòng)測(cè)試和噪聲測(cè)試。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)空載、20%負(fù)荷、倒拖等加速過程，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min時(shí)，均出現(xiàn)高頻間歇性潤滑油擠壓噪聲，主觀感受該異常噪聲類似“電火花放電音”，2 800 r/min以上時(shí)背景噪聲掩蓋無法識(shí)別。圖3和圖4示出加速時(shí)第一主軸承座振動(dòng)特性和缸體裙部振動(dòng)特性。第一、二主軸承均明顯出現(xiàn)5 000 Hz以上寬頻異常振動(dòng)，該異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 597 r/min，通過發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行單循環(huán)分析可知，振動(dòng)相位約為第一缸排氣上止點(diǎn)前50°曲軸轉(zhuǎn)角。根據(jù)頻率特性和噪聲特性，確定該振動(dòng)非機(jī)械撞擊產(chǎn)生，為主軸承位置潤滑油氣泡被擠壓破裂而產(chǎn)生。

2.2潤滑系統(tǒng)特性對(duì)噪聲的影響

為研究噪聲產(chǎn)生機(jī)理，識(shí)別潤滑系統(tǒng)機(jī)油黏度、機(jī)油含氣量、機(jī)油流速等特性，驗(yàn)證該特性對(duì)噪聲的影響關(guān)系。圖5示出主軸承潤滑特性與振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系。各潤滑特性改變對(duì)噪聲的主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：1分為無法接受，非常不滿意；2分為太差勁，不滿意；3分為可忍受，不太滿意；4分為合理可接受，相對(duì)滿意；5分為良好，令人滿意。測(cè)試過程通過專業(yè)人員對(duì)滿意度和挑剔度進(jìn)行求和平均。以原發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，通過潤滑油外循環(huán)控制潤滑油溫度，對(duì)比油溫60 ℃和20 ℃時(shí)的第一主軸承座振動(dòng)特性，異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速從1 597 r/min變?yōu)? 155 r/min，主觀評(píng)價(jià)“電火花放電音”不易識(shí)別；改變潤滑油抗泡劑含量從而影響潤滑油氣泡數(shù)量，試驗(yàn)對(duì)比4‰和7‰的抗泡劑含量，異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速從1 597 r/min變?yōu)? 036 r/min，主觀評(píng)價(jià)“電火花放電音”有改善，但仍然可識(shí)別；通過潤滑油泵排量6.7%的增加來實(shí)現(xiàn)油壓升高，當(dāng)油壓升高23 kPa時(shí)，異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化163 r/min，主觀評(píng)價(jià)“電火花放電音”略微改善，噪聲可識(shí)別。

2.3曲軸主軸承結(jié)構(gòu)特征對(duì)噪聲的影響

識(shí)別主軸承特征參數(shù)，選取主軸承間隙和主軸頸形狀為研究對(duì)象，通過配瓦改變主軸承間隙，增加曲軸主軸頸腰鼓度改變結(jié)構(gòu)形狀，進(jìn)行主軸承座振動(dòng)測(cè)試和噪聲主觀評(píng)價(jià)。圖6示出主軸承結(jié)構(gòu)特征與振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化關(guān)系。由圖6知，對(duì)比主軸承間隙0.045 mm和0.03 mm時(shí)的第一主軸承座振動(dòng)特性，異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速從1 597 r/min變?yōu)? 758 r/min，主觀評(píng)價(jià)“電火花放電音”不易識(shí)別；對(duì)比主軸頸腰鼓度變化，腰鼓度從0.001 mm增加到0.003 mm時(shí)，異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化967 r/min，主觀評(píng)價(jià)“電火花放電音”不可識(shí)別。結(jié)合圖5，當(dāng)主軸承座異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為2 155 r/min以上時(shí)，主觀評(píng)價(jià)“電火花放電音”不可識(shí)別，該振動(dòng)轉(zhuǎn)速可作為試驗(yàn)室客觀判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2.4曲軸系軸承支撐布置對(duì)噪聲的影響

對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整車搭載，由于液力變矩器的輸出端存在軸承支撐，故整個(gè)曲軸系運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定。多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷10 N·m、轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)整車較臺(tái)架第一、二主軸承的總壓減小3.6%～6.3%，第四主軸承總壓減小12%，第一主軸承潤滑油填充變化率減少8%；2 400 r/min時(shí)整車較臺(tái)架第一、第二主軸承的總壓減小4.5%～7.9%，第一主軸承潤滑油填充變化率減少10%。潤滑油在軸承內(nèi)的填充率發(fā)生變化，可視為主軸承油膜沖擊力下降，從而主軸承振動(dòng)降低。圖7示出整車加速時(shí)第一主軸承座振動(dòng)特性。由圖7可看出，異常振動(dòng)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為2 493 r/min，高于潤滑特性和主軸承結(jié)構(gòu)單因素分析得到的不可識(shí)別轉(zhuǎn)速2 155 r/min，主觀評(píng)價(jià)滿足要求。

2.5曲軸運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試及潤滑油擠壓高頻噪聲分析

通過主軸承振動(dòng)和曲軸運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)系分析潤滑油擠壓噪聲產(chǎn)生機(jī)理，本研究改變潤滑油黏度研究軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，采用0W-20和5W-30兩種潤滑油做對(duì)比分析。圖8示出曲軸運(yùn)動(dòng)軸心軌跡。由圖8知，兩種潤滑油作用下的軸心軌跡均存在偏心公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由曲線a和b可見，在某一時(shí)刻曲軸公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)，采用5W-30潤滑油時(shí)的偏心距減小了57%。圖9示出曲軸偏心距與主軸承振動(dòng)的關(guān)系。第2缸進(jìn)氣約40°位置為曲柄銷受載較小區(qū)間［7］，當(dāng)曲軸公轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變時(shí)，其主軸承振動(dòng)會(huì)異常加強(qiáng)。采用5W-30潤滑油時(shí)，異常振動(dòng)幅值較小，結(jié)合多體動(dòng)力分析結(jié)果可知，當(dāng)潤滑油黏度增加時(shí)，潤滑油在軸承內(nèi)的填充率下降，改變了軸心軌跡［8-10］。進(jìn)一步分析，當(dāng)曲軸偏心公轉(zhuǎn)與曲軸自轉(zhuǎn)方向相同且曲軸載荷較小時(shí)，由曲軸運(yùn)動(dòng)形成的液動(dòng)壓力大于軸頸載荷，會(huì)形成與旋轉(zhuǎn)方向相同的油膜渦動(dòng)；當(dāng)曲軸自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，潤滑油填充率發(fā)生變化，形成紊流。分析可知，當(dāng)軸承載荷小、偏心距較大、曲軸自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，潤滑油壓力升高，潤滑油流動(dòng)填充發(fā)生變化，形成類似“水錘效應(yīng)”的高頻擠壓噪聲。

3結(jié)論

a） 噪聲最敏感影響因素為主軸承間隙和主軸頸腰鼓度，通過半消聲試驗(yàn)室噪聲不可識(shí)別定義，發(fā)動(dòng)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速為2 155 r/min；

b） 主軸承振動(dòng)和噪聲為伴隨產(chǎn)生，當(dāng)潤滑油黏度提高時(shí)，其在軸承的填充率下降，降低了潤滑油填充時(shí)的紊亂程度，從而降低振動(dòng)噪聲；

c） 通過軸心運(yùn)動(dòng)軌跡分析得出，當(dāng)軸承載荷小、偏心距較大、曲軸自轉(zhuǎn)方向與公轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，潤滑油流動(dòng)填充變化產(chǎn)生高頻擠壓噪聲，此時(shí)表現(xiàn)為軸心軌跡不平順；

d） 整車動(dòng)力輸出連接方式中增加了軸承支撐，曲軸系運(yùn)動(dòng)更加平順，潤滑油高頻擠壓噪聲下降。

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Influencing Factors of High-Frequency Noise from Lube Oil?Squeezing of Turbocharged DI Engine

LIU Yaqi1，2，WU Huidong1，2，ZHAO Guochao1，2，CAO Yongwei1，2，MA Ruixuan1，2

（1.Great Wall Motor Co.，Ltd.，Baoding071000，China;2.Hebei Vehicle Engine Technology Innovation Center，Baoding071000，China）

Abstract： According to the operation characteristics of turbocharged diesel engine， the influencing factors of high-frequency noise from lubricating oil squeezing were tested at the main bearing of engine under the condition of rapid acceleration in the semi-anechoic laboratory. Based on the vibration test of the main bearing seat of engine and track test of shaft， the influence of the characteristics of lubrication system， the structural characteristics of main bearing， and the support mode of crankshaft bearing on the high-frequency squeezing noise were analyzed. The analysis results show that the viscosity and air content of lubricating oil， the clearance of main bearing， the shape of main journal and the bearing support mode all have an impact on the abnormal vibration of main bearing housing. When the bearing load is small， the offset distance of crankshaft center is large， and the rotation direction of crankshaft is opposite to the revolution direction， the main bearing lubricating oil pressure increases， and the bubbles in the lubricating oil are squeezed to produce high-frequency bubble burst noise， which is accompanied by the abnormal vibration of main bearing seat. When the crankshaft runs stably and the track of shaft center is smooth， the speed corresponding to the abnormal vibration of main bearing seat increases， and the high-frequency noise is difficult to identify.

Key words： diesel engine;main bearing seat;vibration;high-frequency noise;shaft center track

［編輯： 袁曉燕］