某乘用车怠速充电“咕咕声”NVH 研究与改进
摘要：发动机作为汽车的主要动力源之一，其各项参数与整车的性能息息相关，如发动机的扭矩是体现一台汽车的力量大小，如发动机 NVH（Noise、Vibration、Harshness 的英文缩写，即噪声、振动与声振粗糙度）性能是整车 NVH 主要来源之一，NVH 是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。某混动乘用车在怠速充电及 0 油门蠕行充电等工况时存在明显动力总成敲击噪声（以下简称“咕咕声”），通过对发动机敲击噪声现象解决措施。测试数据表明，整车咕咕声与发动机有着直接关系。针对此情况，发动机进行了多种优化验证，在油底壳改为铸铝件以及调整排气VVT 角度时，咕咕声有明显改善。最终，通过油底壳改为铸铝件以及调整排气 VVT 角度来解决咕咕声问题。关键词：发动机；NVH；咕咕声；铸铝油底壳；排气 VVT 角度汽车是数量最多、普及最广、活动范围最广泛、运输量最大且最重要的现代化陆地交通工具[1]。汽车按动力装置分类可分为内燃机汽车和电动汽车，而电动汽车又有一种车型称为复合式汽车（HEV）[2]。本研究的某乘用车就属于复合式汽车，动力装置是由一台LJM20 汽油发动机和一台电机组成，发动机可向驱动汽车的电机供电外，还可在汽车高负荷运行时，发动机直接参与驱动。某乘用车在怠速充电及 0 油门蠕行充电等工况时存在明显动力总成敲击噪声（以下简称“咕咕声”），该咕咕声会极大影响到人们的驾驶性、体验感，需要解决消除咕咕声。通过对问题点的排查及改进过程，解决了发动机咕咕声问题，不仅使提高了人们的驾驶体验感，也能够为后续发动机 NVH 性能开发提供了借鉴。对发动机匹配整车进行 NVH 测试，在驾驶室内存在咕咕声问题，部分车表现严重，部分车表现轻微。使用 NVH 测试设备对整车进行客观测试，在发动机怠速 1050 r/min，功率分别为 5 kW/3 kW/1 kW 时的表现，在进行 5 kW 充电测试时，发动机所发出“咕显著声最为严重，3 kW/1 kW 工况次之，空载咕咕声可接受。对测试数据进行滤波回放，敲击噪声频带主要集中在 230 ~ 330 Hz。继续对发动机振动数据分析时，发现发动机第四缸（发动机与耦合器结合面一侧）位置 Y 向振动在230 ~ 330 Hz 振动最为明显，声音回放特征最为清晰（图 1），X 为整车前后行驶方向，Y 为整车左右方向，Z为整车上下方向，发动机在整车是前置横置布置（图2），即 Y 向为发动机曲轴轴向方向。针对第四缸 Y 向信号做 230 ~ 330 Hz 滤波后发现敲击间隔约为 0.114 s，对应四缸机 1050 r/min 0.5 阶激励，即 1050 r/min 下 4个缸一个工作循环的时间（1 （/ 1050/60）*2 = 0.114 s）（图 3），因此，初步判定咕咕声来源与发动机的轴向振动以及第四缸做功冲程时的激励响应相关。对随机一台发动机单机在 NVH 台架进行测试数据分析，在发动机转速 1050 r/min、功率 5 kW 测试后，对第四缸 Y 向振动数据进行回放分析，敲击特征极为明显，敲击间隔为 0.114 s（图 4），对应四缸机转速 1050 r/min、0.5 阶激励，与在整车测试时的表现相符。测试发动机反拖工况下的振动情况，（反拖是指发动机不点火不喷油不作功，由台架测功机带动发动机旋转，分别在转速 1050 r/min，发动机节气门打开0%及打开 100%的工况测量），发动机均无咕咕声表现，各缸振动无明显规律（图 5），由此判断咕咕声与发动机做功冲程有很大关系。在发动机转速 1050 r/min、功率 5 kW 的工况下测量对比发现，其他排量的四缸机均有类似的特征表现（图 6），因幅值大小有所差异，所以有些发动机未识别到该咕咕声。通过以上调查分析的情况，针对第四缸缸体震动与声音传递规律，采取以下 5 个方案进行验证。验证方案见表 1 所列。原状态发动机（冲压件油底壳）和新状态发动机（铸铝件油底壳）测试结果对比如图 7 所示。从测量结果看，新状态发动机有所改善，整体分贝降了约 1 dB。新状态发动机相对原状态发动机，油底壳由冲压件改为铸铝件，是为了在油底壳后端上增加安装孔，使发动机与耦合器增加固定点（图 8），提高了动力总成的一阶模态（表 2）。2.2 方案二、方案三、方案四共 3 个方案验证对比按油底壳更改的方向，对以下零件进行更改验证。以下方案测试，以铸铝件油底壳发动机为基础状态进行验证，测量原地怠速 1050 r/min，功率 3 kW 下的咕咕声（该工况在整车较容易进行测试），通过对测试数据在频率 230 Hz 耀 330 Hz 范围内滤波，以声音分贝大小进行评判。2.2.1 方案二：进气歧管模态提升在以下位置增加两个支架固定进气歧管与缸体的连接，如图 9 所示。增加两个支架固定后，进气歧管一阶模态增加约40 Hz（表 3）。2.2.2 方案三：增加发动机与耦合器的连接固定点在发动机与耦合器以下位置增加固定点连接，如图 10 所示。增加后，动力总成一阶模态增加约 7 H（z 耦合器配置不一样，一阶模态提升程度也不一样）。结果见表 4。通过进气歧管验证结果可知，提高模态可改善咕咕声问题，而缸体较容易更改实施。更改如下（图11）。优化后缸体一阶模态增加约 66 Hz。结果见表 5。将搭载以上 3 个方案的发动机装至整车测试，结果如图 12。测试结果颜色越鲜艳、声音幅值范围越广，代表效果更差、声音更大，反正则有改善。从测试结果看，更改前后声音幅值基本一致，声音更大，改善不大。发动机标定参数调整（排气 VVT 角度）发动机可变配气机构（VVT）的种类较多，包括可变气门正时、可变气门升程、可变进气延续时间或其符合形式等。可变配气机构可以是内燃机在不同转速和工况下都能获得理想的进、排气效率，在提升扭矩和功率的同时，也提高了油耗水平[3]。本研究的发动机即用到了 DVVT 技术，即进、排气都有可变气门正时系统，使发动机达到了 40%以上的热效率，从而搭载在混动 HEV 车型上效果更好。在原定 ECU 数据排气 VVT 角度的基础上再增加 20毅，咕咕声噪音明显改善，人耳几乎感觉不到，达到了大家可接受的水准（图 13）。综合考虑整车动力、油耗及排放，转速 1050 r/min，功率 3 kW 及 5 kW 排气 VVT 角度增加 15毅，其他负荷工况过渡调整，调整范围 5毅~15毅不等。图 14 为调整前后的排气 VVT 角度预设值，有箭头一行的角度为调整后的排气 VVT 角度，无箭头一行的角度为调整前的角度。对于调整后的 ECU 数据，在整车上测试，咕咕声改善明显，人耳几乎感觉不到，大致一致认可该状态可接受（图 15）。（1）咕咕声特征在四缸机上都存在，可能因为各机型、各零件的差异，咕咕声问题表现有大有小，有些表现较小或者听不到从而达到可接受的状态。因此该咕咕声可能彻底消除咕咕声很难，但可通过更改零件模态等方式来抑制咕咕声，达到大家可接受的状态。（2）咕咕声与发动机负荷相关性强，即发动机在燃烧激励下某零件响应呈现出了敲击特征，即也可通过改变发动机标定参数，如改变排气 VVT 角度，改变发动机燃烧特性来解决问题。通过使用铸铝油底壳的动力总成提升总成模态以及调整发动机 ECU 数据的排气 VVT 角度，解决整车动力总成异响问题。作者单位：（柳州五菱柳机动力有限公司，广西 柳州 545005） 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-18
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