某三缸发动机试验振动特性分析

某三缸发动机试验振动特性分析 李露露 1，覃海峰1，穆建华1，郭涛1 （上汽通用五菱汽车股份有限公司 技术中心，广西 柳州 545007） 摘要摘要：本文介绍了某三缸发动机试验振动特点，对该发动机振动特性进行研究分析。经过测试，该发动机振动加速度能 够满足要求，由于测试工况要求低转速全负荷运行，使得发动机 1.5 阶燃烧激励产生振动峰值，其零部件工作正常。 关键字：关键字：三缸发动机； NVH；不平衡；振动；共振 节能减排成为当前汽车行业发展的一大趋势， 各个汽车厂为了进一步的实现动力性与经济性的 最佳平衡点，都使尽了浑身解数。 三缸发动机的出现为小排量发动机的发展提 供了一条新的途径，三缸发动机在市场中逐渐流 行， 成为小排量发动机的新宠。 由于三缸机惯性力 矩不平衡而引发的振动噪声问题，也为它的普及 增加了不少障碍， 因此， 解决三缸机不平衡所带来 的 NVH 问题尤为关键。本文通过试验的方法，对 某三缸发动机的试验振动特性进行分析研究，了 解及验证其振动水平。 1.三缸发动机振动特点 在运转的发动机上，由于内部运动件位置不 断变化， 为了保障它的可靠性、 平稳性和耐久性， 要求它传递力和力矩的大小和方向不随时间发生 变化，达到发动机内部的一种平衡。 三缸发动机的主要振动激励来源于 1 阶不平 衡力矩和 1.5 阶燃烧激励 1，而 1 阶不平衡力矩 正是与四冲程四缸发动机相比所没有的。对于发 展较成熟的四冲程四缸发动机而言， 旋转惯性力、 一阶往复惯性力和二阶往复惯性力的合力都已经 平衡， 但对于四冲程三缸机的旋转惯性力矩、 一阶 往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩均未平衡 2。 因此，三缸发动机除了受到 1.5 阶燃烧激励引起 的振动问题，还受到的 1 阶不平衡力矩带来的振 动问题， 不平衡问题如果不能很好的解决， 就会导 致整车、 零件的振动噪声问题， 也会给零部件的可 靠性带来威胁。 目前三缸发动机的平衡方案分为三种，第一 种是在曲轴曲柄加上平衡重，来平衡三缸不平衡 力矩， 这样的方法适用于小排量的发动机； 第二种 方法是在加平衡重的同时， 再装一根平衡轴； 第三 种方法则是加装两根平衡轴 3。本文研究的发动 机采用的是第一种平衡方法。 2.三缸发动机振动试验 为了研究某三缸发动机的振动情况，特将该 发动机安装在发动机试验台架上，通过振动测试 及 Test. Lab 软件分析，了解它的振动特性。 2.1 振动测试方法 振动测试设备采用Test. Lab测试系统和PCB 三向振动加速度传感器， 采集并记录发动机缸体、 缸盖等主要部件的振动加速度值。 图 1 LMS测试采集前端 2.2 振动试验过程 振动数据采集过程，要求发动机运行两种工 况全油门加速工况和稳态工况。发动机全油 门加速振动测试是从怠速匀加速到额定转速,在 这个过程中,记录发动机主要部件的振动加速度 值；发动机稳态工况振动测试记录了发动机在各 个稳定转速下的振动加速度值，两种测试可作为 相互参考比较。 加速度测点主要包括缸体、缸盖以及较关键 零部件等， 以便对整机和零部件都进行振动对比， 对该发动机进行全面的评价。 测试过程中， 需要保 证发动机所有工况都能够采集完全，尤其是低转 速工况，需要重点关注低速下振动和共振等的问 题。 3.振动结果分析 3.1 整机振动测试结果 由于三缸发动机的主要振动激励来自于 1 阶 不平衡力矩和 1.5 阶燃烧激励，这些激励对发动 机振动贡献的大小就可以作为整机振动的评价。 整机中的缸体、缸盖主要测点，能够较准确的反 映这些主要激励对发动机的影响。 图 2 反映的是某三缸发动机缸体、缸盖振动 的测试曲线。由几个测点的振动数据可以看出， 随着转速增加，该发动机的振动加速度总体上呈 现递增的趋势，在额定转速下振动达到最大值， 最大值在缸体测点上为 8.4g 左右，缸盖测点的 加速度较小。在低转速 1000-1500rpm 范围内， 存在加速度为 2-3g 的振动峰值，原因需要进一 步分析。 图 2 整机测点振动曲线 图 3 就是对缸体测点的数据进行频谱分析的 Colormap 图。由图 3 可以看出，缸体测点的阶次 激励较明显、清晰，没有共振现象，振动主要来 自于 1 阶和 1.5 阶、3 阶的贡献，其中 1.5 阶燃 烧激励对低转速（1000-1500rpm）的贡献较为明 显。 图 3 缸体测点 Colormap 图 4 是各测点的频谱分析，可以看出发动机 1.5 阶燃烧激励在整个发动机运转范围（25- 140Hz）出现峰值，尤其在低转速是激励峰值最 大。在低转速时发动机一直处于节气门全开，也 就是说发动机在低转速时是处于低速全负荷的状 态，缸内燃烧过程剧烈，导致低速过程中出现振 动峰值。因此，1.5 阶燃烧激励在振动曲线中贡 献最大。 图 4 各测点频谱分析 3.2 零部件振动测试 整机试验过程中，常常伴随着一些零部件的 异响或损坏，通常是由于发动机本体激励引起零 部件振动或共振，加上发动机工作温度高、水路 油路冷却不佳等情况，造成零件失效。因此，本 文还对发动机一些主要零部件进行振动验证，包 括进气歧管、增压器、管路及支架等，检查零件 自身振动情况，发现并改进安装支架薄弱部位， 在开发过程中解决问题。 4 结论 1、经试验验证，某三缸发动机振动水平能 够达到整机振动的要求，振动主要来源于 1 阶不 平衡力矩和 1.5 阶燃烧激励； 2、该发动机的 1.5 阶燃烧激励对低转速全 油门工况时振动的贡献较大，使得振动曲线在低 速时有振动峰值，但无共振发生。 3、经过零部件振动测试，检查其零部件的 振动情况基本符合设计要求，详细情况需要进一 步排查关键零件及部位。 参 考 文 献 1朱廉洁,刘晓伟,孙跃辉,张步超等.三缸发动机整车怠 速振动性能研究J.噪声与振