某发动机升速噪音分析

陈小波，薛 顺

（1.柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州 545005；2.拾音汽车科技（上海）有限公司，上海 201804）

0 引言

近年来，随着人们环境、健康意识的不断提高，车辆的舒适度及声品质越来越受到人们的关注。在竞争激烈的汽车市场上，提高车辆的噪声水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向。在此背景下，车辆的NVH性能正式成为汽车研发过程中最为重要的性能指标[1]。

某增压直喷发动机在前期匹配某车型进行整车噪音主观评估时，偶然发现在原地P 档从怠速升速到最高转速时，会在某一固定转速出现尖锐的异常噪音，而且随着反复从怠速升速到最高转速的次数越多，这个噪音会更加尖锐和刺耳。通过对车辆进行NVH 噪音测试结合发动机结构原理进行噪音的原因排查与分析，并通过制造特殊样件进行激励源的判定，最终锁定产生激励振动的问题件，并通过优化问题件的结构设计，使发动机的噪音与振动得到明显改善。该问题的发现与成功解决，为后续发动机与整车的匹配开发提供了经验，增加了与发动机热机强相关的噪音验证工况，同时也给发动机系统零部件的开发提供了丰富的经验。

1 问题定义

发动机在热机加速及降速过程中，在特定转速段出现明显异响，冷机无该异响抱怨。为了快速锁定噪声来源，分析潜在噪声机理，首先对发动机常见噪声源及传播路径进行了NVH 测试与分析。重点测试驾驶室驾驶员左耳、右耳以及整车进气口、发动机增压器、机滤以及前端轮系近场噪音以及发动机缸体、悬置、机滤及机滤座的振动。如图1 为车内噪音频谱发动机加速过程中6.1 阶及其谐波阶次显著，特别当转速上升到某转速附近，阶次特征变得更加凸显。图2为发动机近场噪音，从上到下依次为机滤、整车进气口、前端轮系及增压器近场噪音。从图2 分析可知机滤近场噪声特征与车内噪声抱怨阶次特征吻合，而整车进气口、前端轮系以及增压器等位置处不明显。

图1 车内噪音

图2 发动机近场噪音

2 问题排查

如图3 在机滤表面安装振动加速度传感器以及在机滤近场安装麦克风。分别在冷机和热机时采集发动机转速从1000 r/min 升速到5000 r/min 时的机滤表面的振动和近场噪声。发动机在热机加速及降速过程中，主观感受在特定转速段出现明显异响，而冷机无该异响。如图4 分别是冷机和热机时机滤近场噪声频谱图，从图中可清晰得出：热机状态下当某转速出现异响时，机滤表面振动及近场噪声均能捕捉到该信号；而冷机状态时，没有类似异响，同时机滤近场噪声和表面振动也无相关信号。

图3 机滤近场麦克风及机滤表面振动传感器

图4 机滤近场冷机与热机噪声

如图5 热机状态时机滤近场噪声及其自身振动频谱，可知机滤近场噪声与其自身振动完全吻合，均存在6.1 阶及其谐波阶次能量在某转速显著增大的特征。通过检查发动机零部件发现机油泵内转子数为5，机油泵与曲轴的速比为1.22，对应曲轴的阶次刚好为6.1 阶，与噪声阶次吻合。同时机油泵噪声经常具备明显的阶次特征，基于以上特征分析初步判断抱怨噪声来自于机油泵。当发动机转速上升到某特定转速时，噪声及振动阶次能量显著增大可能和机油泵工作状态发生变化相关。

图5 机滤近场噪声及振动

噪声的传递路径主要分为空气传声和结构传声两类[3]。要确定分析是由何种路径传声到驾驶室内，才能针对噪声作出相应的改善措施。通过测试机滤以及悬置支架振动，机滤近场噪声及车内噪声频谱（图6）以及左悬置和机滤表面振动（图7）分析可知，发动机及变速箱悬置主动侧均识别到机油泵噪声相同的阶次特征，说明其液压激励高到影响整个动力总成。关于车内抱怨的噪声问题，部分能量激励来源于结构传声，动力总成悬置会将噪声传递至车内。

图6 机滤近场噪声和车内噪音

图7 左悬置和机滤表面振动

经过上述问题初步排查，已可以明确该异常噪音的产生来自机油泵，结合噪声在冷机时无而热机时产生，说明机油泵工作导致异常噪音的产生与温度相关联。而机油泵结构或者工作原理本身不会随着温度变化而产生变化[2]，因此怀疑是机油压力在温度的影响下，会产生不同的脉动表现而引起噪音。为了更加直观的检查机油压力脉动与温度、噪音的表现关系，在发动机主油道上安装机油压力脉动传感器。如图8，在机滤座油道上安装高动态压力脉动传感器测试机滤出口油道压力脉动，同时在机滤上安装振动传感器，采集振动噪声。

图8 机滤振动传感器及高动态压力脉动传感器

如图9 和10 可知，机油压力波动频谱与机滤振动频谱趋势一致，主要贡献为6.1 的倍数阶，与上述所讲机油泵阶次吻合。同时机滤近场噪声与主油道压力在相同转速同步出现阶次能量恶化，可以说明噪声由机油泵液压激励产生。同时，如图11 热机与冷机时机油波动对比：冷机状态下机油压力脉动增大基本正常，噪声抱怨转速点未发现明显的压力骤变及阶次能量增大；热机状态时，机油压力在噪声抱怨转速点明显发生骤变。

图9 机油压力波动频谱-热机

图10 机油表面振动频谱-热机

图11 热机及冷机时机油波动对比

如图12 可以更加清晰地观察到机油脉动、机滤表面振动以及与发动机转速影响关系。当发动机处于热机状态时，如图所示发动机水温在95 ℃时，机油压力脉动在某转速产生突变，同步在车内能清晰听到抱怨噪声。同时在机油压力脉动突变时机滤表面的振动也产生突变两者发生时刻完全吻合并呈台阶式上升。进一步证实，机滤表面突变振动由机油压力脉动突变激励产生。

图12 机油脉动与机滤表面振动关系

3 原因确定

通过上述问题排查，结合机油泵的结构，初步判定为泄压阀在热机状态下工作状态下异常导致机油脉动在某转速产生突变，从而产生噪音。为了进一步证实噪音出现时刻的压力脉动与泄压阀相关，制作特殊样件把泄压阀阀芯固定，泄压阀的阀心固定后，泄压阀不会随着压力升高出现泄压。

在整车上更换机油泵并进行NVH 测试，发现泄压阀完全固定后，发动机热机状态原地P 档加速全过程中压力脉动无明显突变，主观感受也未听到噪音。

如图13，机油泵泄压阀芯完全固定后，机油脉动及机滤表面振动关系，机油脉动无明显突变，机滤表面振动台阶式上升问题已消除，噪音消失。由此可确定根本原因为泄压阀异常工作状态导致了抱怨噪音的产生。

图13 机油脉动与机滤表面振动关系（泄压阀芯固定）

从测试结果分析：油路是存在腔体模态，当激励达到该频率时，油路发生共振，产生较大油压波动，引起弹簧的异常运动，形成异响，反复升降速工况，前一次的油压脉动尚未衰减完，后一次激励施加导致压力脉动逐渐增加，异响转速点逐渐降低；而冷机状态下润滑油黏度更高，阻尼更大，油液振幅小，所以无异响。

4 方案验证

虽然把泄压阀芯固定或者取消泄压阀结构可以解决噪音问题，但考虑到发动机在正常工作时各个系统对油压的要求，实际上机油泵泄压阀根本无法取消。如图14 为发动机润滑系统原理图，从整个润滑系统的各个油路上分析可能改善噪音的方案。将整个油路分成5 部分，分别为：机油泵传动、机油泵泄压阀机构、主油道、用油部件。对于机油泵传动系需要降低传动比，可以降低相同发动机转速时机油压力，从而降低压力波动；对于机油泵泄压阀机构，优化泄压截面结构以减小油压及流量的突变，同时优化泄压阀弹簧的刚度以及增加泄压阀芯的重量来增加泄压机构的阻尼，从而降低油压波动。

图14 发动机润滑系统原理图

对于主油道而言，则需要通过CFD 分析，减小主油道的压力损失，为优化泄压阀机构提供更大的空间；对于用油部件，则需要优化各运动间隙，以减小机油泄露，从而可以降低机油压力的需求，降低泵的压力。由于主油道及用油部件的运动间隙优化有限，故将机油泵泄压机构作为重点优化对象，同时在保持需求油压的情况下适当降低传动比。

经过多种方案尝试与验证，确定了如下的验证方案：

（1）将机油泵泄压截面由单泄压T 型泄压槽优化为对称式泄压槽；

（2）增加泄压阀芯的重量以提高机油泵在泄压时阀芯的稳定性；

（3）提升机油泵的泄压弹簧的刚度；

（4）同时降低传动速比。

采用优化方案后，进行的NVH 测试，主观感受无突变噪音产生，机滤近场噪声频谱，如图15 所示，在噪音产生的转速及其附近无明显振动的痕迹，同时升速过程中机油压力上升较为平滑，机滤振动、机滤近场噪声的频率特性中，无明显机油泵谐阶次。

图15 机滤噪声&机滤振动及油压测试结果

5 结语

通过对可能产生发动机在原地P 档在热机状态时在某固定转速产生突变噪音的系统分析以及NVH测试验证及指导，最终确定噪音产生的来源，并通过对机油泵泄压机构的优化，有效解决了噪音问题。