CN115859551A - 一种解决发动机平衡轴粗糙声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种解决发动机平衡轴粗糙声的方法，包括：步骤S1，对发动机进行NVH测试，以确定粗糙声声源的大致位置；步骤S2，对待测发动机设计断缸试验及取消平衡轴试验，确定粗糙声来源于扭振激励；步骤S3，建立可查看曲轴各位置扭振的CAE仿真分析模型，并利用所建立的CAE仿真分析模型对待测发动机设计断缸仿真分析，确定待测发动机的各缸断缸对平衡轴激励的影响；步骤S4，在待测发动机的曲轴上更换平衡轴的安装位置，并利用CAE仿真分析模型分析平衡轴安装在不同位置处的粗糙声，以确定使产生的粗糙声最优的平衡轴最佳安装位置。

Description

一种解决发动机平衡轴粗糙声的方法

技术领域

本发明属于汽车NVH（Noise Vibration Harshness，噪声振动和不平顺性）领域，具体涉及一种解决带平衡轴发动机粗糙声的方法。

背景技术

随着汽车工业的飞速发展，用户越来越强调对产品的品质感受，行业也开始从汽车NVH控制的最基本阶段，即传统意义上所说的“减震降噪”向“声品质控制”转变，汽车声品质已成为评价车辆性能的一个重要指标。其中，汽车加速粗糙感，是顾客抱怨加速噪声大的最主要表现之一，容易给人发动机运转生涩干燥的不良感觉。现有技术上，一般都在传递路径上增加隔吸声、吸振器隔振等方法，但该技术成本较高，还不能完全解决声品质问题。

发动机在工作时，因为活塞在气缸内作往复运动，会在活塞及连杆上产生较大的往复惯性力，造成发动机振动，降低舒适性，大功率的发动机更明显，为了平衡活塞运动产生的二阶往复惯性力，现有技术中通常会在发动机上安装随曲轴同步并偏心转动的平衡轴，以平衡活塞运动形成的惯性力，减弱发动机的振动。平衡轴的增加，往往会带来影响品质感的粗噪声问题，而平衡轴产生的粗糙声频率较高，传递路径上吸振器的效果有限，隔吸声材料的成本又较高，所以急需一种从源头上解决平衡轴粗糙声的控制方法。

发明内容

本发明提供一种减小激励，从源头解决粗糙声的方法，降低整车的成本，提升声品质。

为了实现上述目的，本发明提供了一种试验与仿真相结合的切实从源头解决平衡轴粗糙声的方法，所述方法具体包括如下步骤：

本发明提供了一种解决发动机平衡轴粗糙声的方法，包括：

步骤S1，对发动机进行NVH测试，以确定粗糙声声源的大致位置；

步骤S2，对待测发动机设计断缸试验及取消平衡轴试验，确定粗糙声来源于曲轴扭振激励平衡轴而产生；

步骤S3，建立可查看曲轴各位置扭振的CAE仿真分析模型，并利用所建立的CAE仿真分析模型对待测发动机设计断缸试验，确定待测发动机的各缸断缸对平衡轴安装位置扭振的影响；

步骤S4，在待测发动机的曲轴上更换平衡轴的安装位置，并利用CAE仿真分析模型分析平衡轴安装在不同位置处的粗糙声，以确定使产生的粗糙声最优的平衡轴最佳安装位置。

优选地，所述方法还包括：

步骤S5，基于仿真分析得到的平衡轴最佳安装位置，制作平衡轴安装在所述平衡轴最佳安装位置的样件，再将所述样件在台架上做NVH测试，在所述样件在台架上通过NVH测试后，将按照所述样件优化后的发动机装车进行NVH验证。

优选地，步骤S1包括：

步骤S11，在与待测发动机各缸对应的缸体位置布置三向振动传感器，在待测发动机的缸盖上布置三向振动传感器，在油底壳前、后位置布置三向振动传感器，在待测发动机上、下预定距离位置处布置麦克风传感器，在待测发动机的曲轴Hub端和Ring端分别布置扭振传感器；

步骤S12，在台架上对待测发动机粗糙声最严重的工况做NVH测试，得到振动数据、噪声数据和扭振数据；

步骤S13，对比待测发动机在整车状态下粗糙声的噪声特征和待测发动机在台架状态下粗糙声的噪声特征，以麦克风传感器信号分别与各个位置处的振动传感器信号进行相干分析，确定出与粗糙声相关性最大的振动信号，以确定粗糙声声源产生的大致位置。

优选地，步骤S2包括：

步骤S21，对待测发动机各缸依次断油，每对一缸断油后，重复步骤S12和步骤S13，以确定待测发动机各缸对粗糙声的影响；

步骤S22，将待测发动机的平衡轴拆除，再重复步骤S12和步骤S13，以确定待测发动机的平衡轴对粗糙声的影响；

步骤S23，根据待测发动机各缸对粗糙声的影响以及待测发动机的平衡轴对粗糙声的影响，确定与粗糙声最相关的激励源为扭振激励。

优选地，步骤S3包括：

步骤S31，建立可查看曲轴各位置扭振的CAE仿真分析模型；

步骤S32，应用步骤S12中得到的NVH扭振测试数据对CAE仿真分析模型进行模型标定；

步骤S33，利用经过标定的CAE仿真分析模型对待测发动机各缸依次进行断缸试验，以确定各缸断缸对平衡轴激励的影响。

优选地，步骤S4包括：

步骤S41，利用CAE仿真分析模型分析待测发动机在满载加速工况下，曲轴各个位置的扭振水平；

步骤S42，基于步骤S41分析结果，对比分析平衡轴安装在1/2缸间及3/4缸间的扭振水平，得到平衡轴最佳安装位置。

本发明的有益效果为：

通过对振动及噪声信号的关联分析，快速确定粗糙声产生的大致位置，减小问题分析难度；对怀疑零部件进行换装分析，进一步锁定粗糙声的声源；根据粗糙声的表现，即负载对粗糙声的影响，设计相应的断缸试验，进一步锁定影响因子；采用试验与仿真手段相结合，进一步明确影响因子对粗糙声的影响机理；建立有别于传统分析的模型，可查看曲轴各个位置的扭振，为探寻方案提供依据；运用仿真手段，快速制定优化方案，减少了样件制作的周期及成本，快速验证效果并实现工程化，并达成最优的NVH效果。

附图说明

图1为本实施例提供的粗糙声控制方法流程图；

图2为本实施例提供的NVH客观测试的操作流程图；

图3为本实施例提供的NVH客观测试传感器布置示意图；

图4为本实施例提供的发动机台架粗糙声调制分析示意图；

图5为本实施例提供的断缸及取消平衡轴试验的操作流程图；

图6为本实施例提供的依次断油各缸后的调制结果示意图；

图7为本实施例提供的拆除平衡轴前后油底壳振动的调制分析示意图；

图8为本实施例提供的CAE仿真分析流程图；

图9为本实施例提供的可查看曲轴系各位扭振水平的分析模型示意图；

图10为本实施例提供的取消各缸缸压后平衡轴位置处的扭振结果示意图；

图11为本实施例提供的依次取消各缸缸压后平衡轴位置处的角加速度结果示意图；

图12为本实施例提供的平衡轴最佳安装位置仿真分析流程图；

图13为本实施例提供的曲轴系扭转模态振型示意图；

图14为本实施例提供的曲轴系各位置处扭振结果示意图；

图15为本实施例提供的平衡轴不同安装位置扭振对比结果示意图；

图16为本实施例提供的优化方案验证流程图；

图17为本实施例提供的优化后油底壳前位置振动的调制频谱示意图；

图18为本实施例提供的优化前后整车粗糙声对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

如图1所示为本发明实施例提供的粗糙声控制方法流程图，该方法具体如下：

S1、如图3所示，在发动机缸体、缸盖、油底壳等发动机关键位置布置振动传感器10个（图3中的标记3、4、7、8、9、10、12、13、14、15这10处位置），在发动机上、下两处位置布置2个麦克风（图3中标记为11和5这两处位置），在曲轴Hub、Ring端布置扭振传感器（图3中在曲轴6标记为1和2这两处位置），对整车上发动机粗糙声最明显的工况进行测试，并应用相干分析方法，确定粗糙声声源的大致位置。

S2、依据整车表现情况，设计断缸验证，判断各缸工作对粗糙声的影响，设计取消平衡轴验证，明确曲轴扭振与粗糙声的变化关系。

S3、建立可查看曲轴各位置扭振的CAE仿真分析模型，依据试验对CAE仿真分析模型进行标定，保障CAE仿真分析模型的可靠性，并分析得到断缸对扭振的影响，确定各缸断缸对平衡轴激励的影响。

S4、探寻扭振激励更小的位置，依据分析结果，在曲轴上更换平衡轴的安装位置，进行仿真分析，得到平衡轴响应最小的方案，进而得到平衡轴的理论最佳安装位置。

S5、基于仿真分析方案，进行实物方案验证，推进工程化实施。

如图2所示为本实施例中NVH客观测试的操作流程图，具体包括如下步骤：

S11、如图3所示为NVH客观测试传感器布置示意图，分别布置对应各缸位置的缸体三向振动传感器4个、缸盖三向振动传感器4个、油底壳前后三向振动传感器2个、发动机上/下25cm的麦克风传感器各1个、曲轴Hub/Ring端扭振传感器各1个。

S12、对整车状态粗糙声进行NVH（噪声、振动与声振粗糙度）测试评价，确定发动机粗糙声最严重的工况，即满载加速工况，在台架上进行该工况的NVH、扭振测试。

测试3组，控制与整车状态相同的升速率，以期达到复现整车状态的效果。

S13、提取整车状态下粗糙声的噪声特征，对比台架状态噪声特征，以台架麦克风信号分别与各个位置振动传感器信号进行相干分析，明确哪个振动信号与粗糙声相关性最大，以判断粗糙声产生的大致位置。

因本实施例中待测发动机为4缸发动机，粗糙声为0.5阶调制产生，所以本实施例中采用0.5阶的调制深度来评价粗糙声的强弱，如图4为发动机台架粗糙声的调制分析结果，其中0.5阶调制最强烈。

通过分析发现，待测发动机的油底壳前振动与粗糙声相关性最高，初步锁定粗糙声的大致位置来源于油底壳前位置的曲轴、平衡轴或正时系统。

如图5所示为本实施例中对待测发动机进行断缸及取消平衡轴试验的操作流程图，具体包括如下步骤：

S21、对待测发动机设计断缸试验，对待测发动机各缸依次断油，并重复S11、S12中操作，判断各缸做功对粗糙声的影响。

通过对待测发动机在整车状态下进行NVH测试评价发现粗糙声与负载相关，负载越大，粗糙声越明显。每对一缸断油后，该缸不做功，该缸对曲轴的激励减小，可进一步确定负载越小，粗糙声越轻微。

如图6为依次断油各缸后油底壳前振动的调制示意图，从结果看，断一缸后，0.5阶调制深度明显减弱，粗糙声也明显减弱至不可识别水平，断二、三及四缸后调制深度没有明显变化。说明一缸的激励与粗糙声有强相关性。

S22、拆除本台待测发动机的平衡轴，重复进行S11、S12中的NVH测试，对油底壳振动进行调制分析，确定平衡轴对粗糙声的影响。

如图7为拆除平衡轴前后油底壳前振动的调制分析示意图，拆除平衡轴后，0.5阶调制深度明显减弱，基本不可识别，说明粗糙声与平衡轴强相关。

S23、对以上振动、噪声及扭振测试数据进行详细分析，明确曲轴扭振与粗糙声的变化关系。

因拆除平衡轴后粗糙声消失，排除了机油泵及正时系统的硬件影响，将分析对象锁定至曲轴、平衡轴系统。

基于发动机扭振的灵敏度分析，扭振与发动机缸压强相关，断油后缸压减小，发动机负载减小，扭振也明显减弱，说明扭振是粗糙声的主要激励源。

如图8所示为本实施例中CAE仿真分析的操作流程图，具体包括如下步骤：

S31、建立可查看曲轴系各位置扭振的CAE仿真分析模型，以期对以上试验进行理论验证。

传统的扭振分析模型只能评估前后端扭振水平，但粗糙声为曲轴激励平衡轴导致，需要分析平衡轴安装位置的情况，需要建立适合本发明的CAE仿真分析模型，如图9所示为可查看曲轴系各位置扭振水平的CAE仿真分析模型。

S32、应用扭振试验数据对CAE仿真分析模型进行模型标定，确保仿真结果可靠。

为让仿真分析结果更好的应用于方案制定，需应用S1中扭振试验结果对CAE仿真分析模型进行标定，确保分析结果的有效性，提高问题的解决效率。

S33、对各缸分别进行断缸分析，确定各缸断缸对平衡轴激励的影响。

如图10为依次取消各缸缸压后平衡轴位置处的扭振结果示意图，取消各缸均会导致平衡轴安装位置处共振带减弱。停一缸对平衡轴安装位置处扭振影响最大，影响依次减弱，停四缸影响最小。

如图11为依次取消各缸缸压后平衡轴位置处的角加速度结果示意图，取消各缸均会导致平衡轴安装位置处各阶次及Overall幅值均降低。停一缸对平衡轴安装位置处扭振影响最大，影响依次减弱，停四缸影响最小。

从以上分析得知，只有减小1缸的缸压，即平衡轴对应的缸，才能减小平衡轴安装位置的激励。但由扭振灵敏度分析结果知道，扭振与结构及缸压相关，缸压影响动力性，所以需要从结构上进行优化。

如图12所示为本实施例中平衡轴最佳安装位置仿真分析流程图，具体包括如下步骤：

S41、利用CAE仿真分析模型分析在满载加速工况下，曲轴各个位置的扭振水平，为机构优化提供依据。

如图13为曲轴系扭转模态振型示意图，基本越接近曲轴后端振幅越小，其中第4缸位置振幅最小，其前后位置振幅均较小，TVD端Ring振幅最大。

如图14为曲轴系各位置处扭振结果，越向曲轴后端，扭振越小。

S42、基于S41分析结果，分别对比分析平衡轴安装在1/2缸间及3/4缸间扭振水平，得到平衡轴的理论最佳安装位置。

如图15为对比分析结果，平衡轴后移，平衡轴自身幅值大幅降低，从前端移到后端幅值最大降低50%以上，且平衡轴布置在3/4缸之间与曲轴后端差异较小，再考虑其他的需求，本发动机的平衡轴最佳布置位置为3/4缸间。

如图16所示为本实施例中优化方案验证流程图，具体包括如下步骤：

S51、基于以上仿真分析结果，制作平衡轴安装于3/4缸间的样件。

S52、在台架上进行S12工况的NVH测试，得到优化前后的粗糙声对比结果，优化后调制感明显降低。

如图17为优化后油底壳前位置振动的调制频谱，0.5阶调制深度明显降低。

S53、将优化后的发动机装车进行NVH验证，如图18为优化前后的粗糙声对比，满足要求。

本实施例提供的解决发动机平衡轴粗糙声方法的有益效果为：通过对振动及噪声信号的关联分析，快速确定粗糙声产生的大致位置，减小问题分析难度；对怀疑零部件进行换装分析，进一步锁定声源；根据粗糙声的表现，即负载对粗糙声的影响，设计相应的断缸试验，进一步锁定影响因子；采用试验与仿真手段相结合，进一步明确影响因子对粗糙声的影响机理；建立有别于传统分析的模型，可查看曲轴各个位置的扭振，为探寻方案提供依据；运用仿真手段，快速制定优化方案，减少了样件制作的周期及成本，快速验证效果并实现工程化，并达成最优的NVH效果。

Claims (6)

1.一种解决发动机平衡轴粗糙声的方法，其特征在于，包括：

步骤S1，对发动机进行NVH测试，以确定粗糙声声源的大致位置；

步骤S2，对待测发动机设计断缸试验及取消平衡轴试验，确定粗糙声来源于曲轴扭振激励平衡轴而产生；

步骤S3，建立可查看曲轴各位置扭振的CAE仿真分析模型，并利用所建立的CAE仿真分析模型对待测发动机设计断缸分析，确定待测发动机的各缸断缸对平衡轴安装位置扭振的影响；

步骤S4，在待测发动机的曲轴上更换平衡轴的安装位置，并利用CAE仿真分析模型分析平衡轴安装在不同位置处的粗糙声，以确定使产生的粗糙声最优的平衡轴最佳安装位置。

2.根据权利要求1所述的解决发动机平衡轴粗糙声的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S5，基于仿真分析得到的平衡轴最佳安装位置，制作平衡轴安装在所述平衡轴最佳安装位置的样件，再将所述样件在台架上做NVH测试，在所述样件在台架上通过NVH测试后，将按照所述样件优化后的发动机装车进行NVH验证。

3.根据权利要求2所述的解决发动机平衡轴粗糙声的方法，其特征在于，步骤S1包括：

步骤S11，在与待测发动机各缸对应的缸体位置布置三向振动传感器，在待测发动机的缸盖上布置三向振动传感器，在油底壳前、后位置布置三向振动传感器，在待测发动机上、下预定距离位置处布置麦克风传感器，在待测发动机的曲轴Hub端和Ring端分别布置扭振传感器；

步骤S12，在台架上对待测发动机粗糙声最严重的工况做NVH测试，得到振动数据、噪声数据和扭振数据；

步骤S13，对比待测发动机在整车状态下粗糙声的噪声特征和待测发动机在台架状态下粗糙声的噪声特征，以麦克风传感器信号分别与各个位置处的振动传感器信号进行相干分析，确定出与粗糙声相关性最大的振动信号，以确定粗糙声声源产生的大致位置。

4.根据权利要求3所述的解决发动机平衡轴粗糙声的方法，其特征在于，步骤S2包括：

步骤S21，对待测发动机各缸依次断油，每对一缸断油后，重复步骤S12和步骤S13，以确定待测发动机各缸燃烧激励对粗糙声的影响；

步骤S22，将待测发动机的平衡轴拆除，再重复步骤S12和步骤S13，以确定待测发动机的平衡轴对粗糙声的影响；

步骤S23，根据待测发动机各缸对粗糙声的影响以及待测发动机的平衡轴对粗糙声的影响，确定与粗糙声最相关的激励源为曲轴扭振，其激励平衡轴，从而产生粗糙声。

5.根据权利要求4所述的解决发动机平衡轴粗糙声的方法，其特征在于，步骤S3包括：

步骤S31，建立可查看曲轴各位置扭振的CAE仿真分析模型；

步骤S32，应用步骤S12中得到的NVH扭振测试数据对CAE仿真分析模型进行标定；

步骤S33，利用经过标定的CAE仿真分析模型对待测发动机各缸依次进行断缸分析，以确定各缸断缸对平衡轴位置扭振激励的影响。

6.根据权利要求5所述的解决发动机平衡轴粗糙声的方法，其特征在于，步骤S4包括：

步骤S41，利用CAE仿真分析模型分析待测发动机在满载加速工况下，曲轴各个位置的扭振水平；

步骤S42，基于步骤S41分析结果，对比分析平衡轴安装在1/2缸间及3/4缸间的扭振水平，得到平衡轴最佳安装位置。

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