某车怠速气门敲击声改善的试验研究

靳文冰 李青林 赵雨雷 廉晶晶 孙晨

摘要：本文针对某车怠速时发动机气门敲击声较大的问题，首先概述了气门敲击声的发生机理，而后对实车噪音结合主观评价和声回放系统确定了该噪声的频率范围为1.2kHz-1.4kHz，通过试验分析证实该噪声为气门敲击缸体所致，进而提出了调整气门间隙的改善措施。最后，对比声源处的频谱分析结果及声源表面成像，结果表明气门敲击声的改善效果明显。

关键词：气门敲击声;频谱分析;声回放;表面声源成像

文献标识码：TB53 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（ 2018） 02-0084-05

1 引言

消费者对于汽车的静音性和声品质感的要求越来越高，而怠速噪声是消费者对车辆静音性和声品质的第一印象，是停车等待时车内环境舒适性的直接体验。研究表明怠速时来自发动机的辐射噪声源贡献量达55%，其中频率较高的气门敲击声更容易被人耳感知。

气门作为汽车发动机配气机构的核心部件，在复杂受力及高速运转作用下，气门不断敲击发动机缸体，最终通过气门室罩盖向外辐射噪声。然而，为了保证气门处具有足够大的气流通过能力，要求凸轮升程规律能使气门尽可能地快速地打开和闭合，并使凸轮升程曲线尽可能地丰满，这必然导致了所有凸轮从动件的加速度迅速增大，使整个配气机构的冲击加剧，从而产生剧烈的振动和噪声。所以，提高配气机构的工作性能和降低配气机构的振动及噪声是相互矛盾的。因此，有必要弄清配气机构振动和噪声产生的机理，找出其主要的振动和噪声源。

本文针对某车怠速状态下气门敲击声过大的问题，借助声源分析、滤波、回放和成像技术，研究了气门敲击声的频率特征，有针对性地提出了改善措施。试验证明，合理地调整进气门和排气门与挺柱之间的间隙能够有效地改善气门敲击声。

2 问题提出和分析

2.1问题提出

某车在怠速工况下车内反馈有严重的发动机气门敲击声研究人员通过主观评价确认了该问题表现为发动机的气门敲击噪声，车内和车外均很突出。

为了进一步明确问题，如图1所示，分别在发动机气门室罩盖上端和壳体处布置一个传声器和加速度传感器，分析怠速工况下近场噪声和辐射表面振动的频谱特征。利用HEAD公司的声回放系统图2，进行原始信号的滤波和回放后，基本确定了气门敲击声的频率范围约为1.2 kHz至2.4 kHz。图3所示为问题样车气门室罩盖近场辐射声的A计权声压级FFT云图。

2.2试验调查和分析

顾名思义，气门敲击噪声是气门敲击缸体所致。资料显示，通常顶置式凸轮轴配气结构缸体的刚度在108数量级（N/m），其自振频率大概在2000 Hz附近，为此，调查问题车发动机缸体本身的固有频率特性。如图4所示，在缸体上布置一个加速度传感器，用力锤分别敲击进气门和节气门顶部，测量二者之间的振动传递函数，结果如图4所示。

振动传递函数测试结果显示，1、2、3、4缸的进气门和节气门在1.2 k-2.4 kHz频率范围内均出现了若干峰值，这些峰值对应为缸体的若干阶共振频率，并且与气门敲击声的问题频率吻合。结果证实，气门敲击声问题是由气门落座时敲击缸体所致。至此可明确，缸体在气门敲击力作用下振动，在其固有频率1.2k-2.4kHz范围内共振发声。

一般而言，共振问题改善有两种方式：一是降低激励水平，也就是减小气门落座力;二是改变响应特性，这需要改变缸体本身的固有频率。问题车的缸体已然定型，只能尝试降低激励力。

3 改善措施及试验验证

为了改善气门落座产生的激励力，需要研究影响气门落座力的因素。

研究发现，气门间隙如图6所示，对气门落座力有直接的影响，在其他条件不变的前提下，气门落座力会随着气门间隙的增大而增大图7。文献指出，随着气门间隙的增大，气门开启和关闭点后移，气门升程下降，除了不利于进气效率，气门开启点和关闭点的变化会使得气门承受载荷变化的更剧烈，产生更大的加速度。同时，气门间隙过大还会使得气门落座的速度变大，甚至导致气门在凸轮型线的工作段末脱离摇臂，缓冲段丧失作用，气门在弹簧力作用下落座，甚至发生反跳。而较大的落座速度同样会带来较大的落座力。

总之，减小气门间隙，有利于降低气门落座力，进而有利于减弱激励水平和辐射噪声的能量，达到改善气门敲击音的目的。

3.1改善措施

考慮问题车的实际状态，按照尽可能地减小气门间隙的原则，调整问题车的进气门和排气门间隙。通过调整挺柱的精加工尺寸，实现对气门间隙的精确控制，安装后用塞尺测量实际状态的间隙值，将调整前后的实测间隙值列于表1。进气门和节气门间隙分别相对调整前较少23%和16%。

3.2改善效果验证

为了验证调整气门间隙对气门敲击声的改善效果，分别进行了气门室罩盖近场辐射噪声FFT对比、表面振动的FFT对比以及气门室罩盖表面辐射噪声源成像对比，试验结果分别列于图8、图9和图10。

对比改善前后的辐射噪声，1.2kHz-2.4kHz问题频率下A计权声压级显著降低，调整气门间隙后，问题频率段（切片）的A计权声压级降低达9dB（A），改善效果显著。相应的辐射表面的振动加速度级也略有降低图9。

同样的，利用传声器阵列对气门室罩盖表面进行声源成像，平面阵列距离声源1m，计算问题频率范围内辐射表面平均声强级的分布。如图10所示，可以看到同样的标尺下，改善后整体声强级降低明显，最大声强降低约4.2W/m²。

综上所述，气门室罩盖的近场辐射A计权声压级FFT云图及声强成像的结果一致性地表明，调整进排气气门间隙后，问题车的发动机气门敲击声的改善效果明显。

4结语

本文针对某车怠速时出现的发动机气门敲击声较大的问题，首先利用声回放系统确定了该噪声的频率范围为1.2 kHz-2.4 kHz，并指出该噪声可能为气门敲击缸体所致。进一步，利用锤击法对缸体和气门整体进行模态传递函数测试，结果显示在该问题频率下出现了若干突出的峰值，证实了该推论。接着，分析了改善气门敲击声的可行途径：即通过减小气门间隙量，降低气门落座产生的激励力，从而降低气门敲击的能量。最后，结合频谱分析和表面声源成像技术，验证了该改善措施的有效性，调整气门间隙后，声源处问题频率下的A计权声压级降低达9dB（A）。