某乘用车加速工况异响诊断分析及控制方法

李盛福，潘宇倩

（1.广西工业职业技术学院，南宁 530001； 2.柳州工学院，柳州 545616）

引言

随着汽车的快速发展，汽车的NVH问题愈发受到关注，用户对汽车的舒适性要求提高[1]。涡轮增压器技术通过提高涡轮增压器提高进气密度,可全面改善发动机的动力性、经济性和排放指标等性能，同时涡轮增压器朝着小型化、高速化发展，但其高速旋转产生的噪声和高频振动对汽车舒适性造成很大影响。

根据涡轮增压器的工作原理（如图1所示）涡轮增压器的噪声大致可分为与转子动力相关的噪声和与空气相关的噪声。其中转子动力噪声 包括转子不平衡啸叫、油膜涡旋振荡产生的亚同步噪声、高阶次噪声、轴承磨损噪声、废气旁通阀金属敲击噪声等；空气动力噪声包括脉动啸叫、BPF噪声、Whoosh噪声、Whining噪声和Buzz-Saw噪声[2]。S Wang等通过设计消声器来降低涡轮增压器的同步脉冲噪声[3]。Moritz J等深入研究了进气扰动条件对涡轮增压器辐射噪声的影响[4]。韦玲玲等通过控制系统软件硬件匹配改善了增压器电子泄压阀噪声[5]。李伟等通过增大流道喉舌与涡轮进口距离、增加涡轮叶片等改善涡轮BPF噪声[6]。杨景玲通过在执行器入口处增加了一个稳压腔解决了涡轮增压器的嗒嗒声[7]。

图1 涡轮增压器工作原理图

本文针对某乘用车大油门加速工况前舱传来的气流冲击声及敲击声，采用主观评价、声源定位、传递路径法等方法锁定声源，并针对问题点提出了优化方案，有效的解决大油门加速工况异响问题。

1 加速工况异响问题定义与分析

搭载N15T+CVT/MT的某平台车型在进行NVH主观评价时，发现在中大油门加速时，在2 000 rpm左右前舱传来气流冲击声，并伴随金属敲击声。

针对提出的大油门加速工况异响问题，因在MT和CVT的车上均出现该问题且由前舱传来，初步分析该问题与发动机相关，为锁定问题的原因，测试某车型乘用车在全油门加速工况下的驾驶员右耳、发动机近场噪声，驾驶员右耳处坎贝尔图如图2所示。查看分析实车加速工况下的驾驶员右耳处的坎贝尔图，发现在2 000 rpm左右存在较宽频带（频带为7 000 Hz以内）的异常噪声，见图2的白框部分，通过对声音进行回放分析，确认与主观评价时听到的气流声一致。

由上可知，气流声的产生与发动机转速相关，频带较宽，且从前舱传递过来，在变速箱、中冷管、增压器、空滤上布置振动传感器及近场麦克风，并布置声学相机同步采集，在NVH四驱转鼓实验室中进行全油门加速工况测试。通过声学相机的测试结果发现在2 000 rpm左右，涡轮增压器的声源噪声较大，在涡增压器上的振动坎贝尔图发现2 000 rpm左右的宽频振动现象（如图3所示），通过在执行器上布置振动传感器发现摇臂在2 000 rpm左右位移最大（如图4所示）。

图4 废气旁通阀执行器摇臂位移

为进一步锁定问题部件，设计了两个验证方案，分别为：①在废气旁通阀执行器上加200 g配重；②在废气旁通阀执行器推杆与摇臂之间加垫片（方案图如图5所示）。结果如图6所示，设计的两个方案皆有效果，在2 000 rpm左右的宽频噪声能量降低，主观评价有改善。

图5 验证方案图

图6 验证方案结果

增压器执行器的结构和工作原理分别如图7和图8所示，它是由控制气室、推杆、废气旁通阀门等组成的，其中的控制气室是核心部件，它是由膜片和弹簧组成的一个气动缸，一端与增压器的压气机相连接，膜片上方的压力就等于压气机中的压力，另一端与废气旁通阀相连接。当压气机中的增压压力超过预定值时，气压推动膜片压缩弹簧，使推杆向外推出，将废气旁通阀门打开，引导部分废气不再经过涡轮，而是从安装在涡轮之前的旁通阀直接进入排气管，这样就可以减少推动涡轮转动的废气的数量和压力，进而降低涡轮转速，降低增压压力，避免发动机由于“过增压”而导致的飞车现象。当压气机压力降低到一定值时，膜片上方的压力不足以克服弹簧的弹力，弹簧就会弹回，带动连杆运动关闭旁通阀，废气又全部推动涡轮运转，增压压力重新增高，直到下一次旁通阀开启。就这样循环进行，发动机的增压压力就被控制在一个固定的数值[8]。

图7 增压器执行器结构图

图8 增压器执行器工作原理图

结合测试结果与增压器执行器的结构和工作原理可得，在急加速工况下，2 000 rpm时存在宽频的气流声，在涡轮增压器急剧增扭时存在排气冲击阀体的声音，综合结果为此宽频噪声由排气流体摩擦冲击引起；在加速过程中废气旁通阀从关闭到完全开启时，在增压器排气压力脉动（Pq和Pm）[9]的作用下，气体冲击废气旁通阀产生气流声；旁通阀执行拉杆受此作用力产生振动，撞击摇臂，产生rattle声，从而传到车内。

2 方案整改与验证

依据以上的原因，结合整车NVH开发的经验，制定初步的整改方向：①优化执行器推杆与摇臂之间的间隙；②在摇臂和阀体之间增加弹性垫片。

2.1 优化执行器推杆与摇臂之间的间隙

在大油门加速工况，涡轮增压器介入时，受排气压力作用，推杆动作，其与摇臂之间存在间隙，若间隙过大则会产生敲击，查看该零件图纸的原设计值为（0.3～0.5）mm，制作系列间隙梯度的样件（如表1所示）在整车上进行主、客观评价及测试，结合工艺与评价结果，确定最优间隙，其测试结果如图9所示，2 000 rpm左右能量明显减弱，主观评价可接受。

表1 执行器推杆与摇臂之间的间隙与主观评价结果

图9 优化执行器推杆与摇臂之间的间隙测试结果

2.2 在摇臂和阀体之间增加弹性垫片

在大油门加速工况，涡轮增压器阀体受脉动气体冲击，其与摇臂之间存在间隙，会产生敲击。在阀体与摇臂之间增加弹性垫片，减小其间隙，方案如图10所示，测试结果如图11所示。从结果来看，2 000 rpm左右的宽频噪声完全消失，主观评价接受。

图10 摇臂和阀体之间增加弹性垫片方案图

图11 摇臂和阀体之间增加弹性垫片测试结果

3 结束语

针对某乘用车中大油门加速工况异响噪声问题，综合运用主观评价、声源定位以及频谱分析等技术，确定了问题的主要原因：车内2 000 rpm左右的气流声和敲击声由涡轮增压器排气流体摩擦冲击引起，气体冲击废气旁通阀产生气流声；旁通阀执行拉杆受此作用力产生振动，撞击摇臂，产生rattle声。根据产生机理制定两种改善方案，分别为优化执行器推杆与摇臂之间的间隙、在摇臂和阀座之间增加弹簧垫片。针对两种方案，分别进行整车测试评估，量化两种方案的改善效果。从对比中可看出在摇臂和阀座之间增加弹簧垫片效果最好，消除了气流声和敲击声，大大提高了整车的声品质。