柴油机正时系统优化对低频噪声改善的研究

孙立永　李　乐　孙　璇　屈伟　尚　运　蔡永庆（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

柴油机正时系统优化对低频噪声改善的研究

孙立永1，2李乐1，2孙璇1，2屈伟1，2尚运1，2蔡永庆1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

为改善某四缸增压柴油发动机的NVH（Noise Vibration and Harshness），通过优化正时系统进行台架效果验证，结果表明：优化正时系统罩盖，调节皮带张紧力，增加惰轮对整机低频噪声改善效果明显。

柴油机NVH正时系统优化

引言

随着乘用车油耗法规逐年加严的趋势，且在“单车油耗限值”基础上引入了“企业平均油耗”评价体系。为贯彻落实2015年与2020年乘用车企业平均燃油油耗量为6.9 L/100 km和5.0 L/100 km的目标，柴油机便凸显出其得天独厚的优势。但柴油机振动及噪声大等缺陷也使得用户对柴油机的驾驶舒适感评价较低，本文针对柴油机振动以及噪声的改善进行研究，最大限度减小柴油机的缺陷。

以某柴油发动机台架及搭载SUV整车测试以及用户驾驶体验评价为背景，对某柴油机噪声进行评价发现：柴油发动机在正时存在“隆隆”声异响。

本文以改善此柴油发动机正时“隆隆”噪声为目标进行研究。

1　研究对象与试验装置及环境要求

本文所涉及的研究对象为：2.0 L双顶置凸轮轴单级涡轮增压柴油机，最大功率及相应转速为120 kW/（4 000 r/min），最大扭矩及相应转速为350 N·m/（1 600 r/min～2 800 r/min）。

试验测试设备及测试环境要求：设备包含信号采集系统采用LMS Test.lab中Signature测试系统及SCADAS Mobile数采前端、1/2 in麦克风（ICP）具备I级精度、声校准器（采用94 dB、1000 Hz或114 dB、251.2 Hz）及光电转速传感器（要求采集转速和发动机实际转速误差在±2%）。发动机整个噪声测试过程在发动机半消音室或整车半消音室中进行，消音室需具备冷却水恒温系统和燃油恒温系统的AVL电力测功机试验台且内部基础噪声低于被测噪声10 dB，试验室环境要求温度20℃～30℃，相对湿度小于60%，如图1所示。

2　正时异响问题描述及机理分析

正时系统用于保证从动轴和主动轴之间的准确正时。齿形皮带传动的正时系统常见于凸轮轴顶置的发动机，对于减少噪声，减轻结构质量，降低成本非常有利［1］。本柴油发动机中采用齿形带传动正时系统，正时系统布置如图2所示。主要由凸轮轴带轮、曲轴带轮、燃油泵带轮、张紧轮以及水泵惰轮组成。

图1　发动机半消音室示意图

图2　正时系统布置示意图

一般来说，旋转机械各零部件有其固有频率或特征频率，当受到周期性、冲击性或者随机性激励时，形成各种受迫振动或自由振动（固有振动），扰动周围的空气介质从而形成机械噪声［2］。

此柴油发动机正时存在类似“隆隆”声异响问题，隆隆声是一种较典型的因皮带颤动而发出的声音。尤其在辅助机构传动系统负载工作，且发动机达到一定转速时，噪声会明显增大［3］，为进一步分析颤动位置，展开NVH台架测试，数据分析锁定“隆隆”噪声频率段为225 Hz和250 Hz，详见图3，对应在正时系统上的颤动端如图4所示。结合该发动机正时系统布置，最终锁定该异响声源为正时皮带扰动正时腔内气体，皮带本身固有频率与皮带摆动频率调制所形成的噪声。

图3　正时异响测试分析结果示意图

图4　优化前正时系统布置示意图

3　改善方案NVH测试验证

根据正时异响产生机理，制定3种改善方案。

3.1正时罩盖结果优化方案验证

对于隔噪来说，最简便的方法是对正时系统增加一个罩盖，但研究表明：罩盖在一定程度上放大了低频噪声，但对噪声趋势没有影响。可以通过在罩盖上打孔的方式来平衡该矛盾，但存在的问题是会削弱其对高频噪声的隔离能力，同时打孔之后罩盖的固有频率也会改变，必须控制罩盖的固有频率使其高于发动机的振动频率，以免产生共振［1］。为改善正时皮带工作时扰动正时腔内气体，将正时上、下罩盖开孔，验证发动机的改善效果，优化前后方案详见图5。

为验证充分，共制定4种方案，分别为：原状态，去除正时上罩盖，正时上罩盖开孔，正时下罩盖开孔，具体测试结果如图6所示。

图5　正时罩盖优化前后对比示意图

结果表明，4种方案中，正时上、下罩盖同时开孔方案线性度平顺，改善效果最佳。

3.2张紧轮张紧力优化方案验证

本文研究发动机原正时系统张紧力为300N，而皮带存在225 Hz及250 Hz的振动，通过分析，在不同张力下，随着张力增大，噪声感知最大的转速点也随之有所上升，皮带振动频率与张紧轮张紧力大小有关（张紧力在一定范围内），即制定两种张紧力的张紧轮进行台架验证，张紧力为225 N和255 N，测试结果如图7所示。

图7　不同张紧力对正时噪声影响示意图

结果表明：255N的张紧力为最佳状态。

3.3正时轮系优化方案验证

一般情况下，皮带的紧边与松边为整根皮带工作条件较恶劣的带段，但皮带张紧力增加后，皮带紧边张力增加，但并没有缓解皮带松边的振动频率，为进一步研究如何改善正时皮带振动频率及本身固有频率调制引起正时“隆隆”声异响，对正时轮系进行优化，优化后正时轮系布置如图8所示，在水泵惰轮及曲轴带轮之间增加小惰轮，改善皮带振动频率。

图9为正时轮系优化后发动机正时侧齿轮箱1 m处声压级测试结果，从图可以看出：增加惰轮后正时“隆隆”声改善明显，225 Hz降低了10.3 dB（A），250 Hz降低了14.6 dB（A）。

图8　正时轮系优化后示意图

图9　增加惰轮测试结果示意图

结果表明：利用现有机油泵壳体增加安装孔用于安装惰轮，有效降低正时皮带紧边振动频率，皮带异常抖动现象消失，所以增加惰轮为较好的解决方案。

4　结论

1）正时系统罩盖的结构对正时系统皮带噪声有一定影响，设计时需考虑正时腔内皮带扰流的流向，用在罩盖上打孔的方式来平衡该矛盾，对于上下罩盖的结构形式，采取二者均开孔为最佳方式；

2）皮带振动频率受张紧轮张紧力影响，增加或减小张紧力可在一定程度上降低噪声，但张紧力不可无限增加或减小，因不同的发动机存在不同的张紧力临界值；

3）在正时系统设计初期，需考虑皮带紧边的摆动振幅，必要情况下增加张紧轮。

1李涛，陈特放，史铁林，等.发动机正时系统噪声诊断与降噪研究［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2015，43（6）：1-6

2朱孟华．内燃机振动与噪声控制［M］．北京：国防工业出版社，1995

3孙毅.汽车传动皮带噪音巧诊断［J］.汽车运用，2012（3）：48

Research of the Effects of Diesel Engine's Timing System Optimization on Low Frequency Noise

Sun Liyong1，2，Li Le1，2，Sun Xuan1，2，Qu Wei1，2，Shang Yun1，2，Cai Yongqing1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

For improving the NVH（Noise Vibration and Harshness）of 4-cylinder turbo-charged diesel engine，a research and test of optimizing the timing system proves that the low frequency noise can decrease through improving the timing case，the tension force of the belt and adding the tensioner.

Diesel engine，NVH，Timing system optimization

TK421+.6

A

2095-8234（2016）04-0026-04

2016-05-20）

孙立永（1987—），男，助理工程师，主要从事柴油机研制与开发。