一种全浮式汽油机活塞销异响的试验研究及产生机理分析

李志敏，石黄涛，谢小洋

（东风柳州汽车有限公司发动机事业部，广西 柳州545005）

0 引言

随着国家油耗法规的日趋严厉，不少汽油发动机通过提高强化程度、适当小型化，以降低摩擦从而减少燃油消耗。汽油机强化程度的提高对零部件的强度提出了相应要求，其中，为提高活塞销相关运动副的压力承受能力，全浮式活塞销的应用越来越多。然而全浮式活塞销如果设计及制造不当，会导致令人厌烦的异响。随着消费者对NVH（振动噪声）水平的要求越来越高，消除包括上述异响在内的任何形式的噪声问题，是发动机开发过程中的一项重要任务。研究及分析影响异响的各种因素并揭示其形成机理，是不断提高研发水平的内在要求。

本文主要对一种汽油机全浮式活塞销和连杆小头配合导致的异响进行试验研究，对其机理进行分析，最后寻求避免异响产生的措施。

1 异响现象描述

活塞销的异响发生在发动机台架试验或者装车的发动机上，冷机怠速条件下，无需仪器检测，人耳主观即能听到“嗒嗒”声，机体的下部或发动机的扭转减振器端主观感受最明显，该异响有以下特征：

（1）主油道机油温度＜40℃时特别明显，随着机油温度的提高异响逐渐消失；

（2）主油道机油压力升高至400 kPa后，异响存在约10 s后消失；

（3）异响发生在冷机无负荷工况，发动机转速在700～1 200 r/min范围无负荷运转时，异响特别明显，转速超过1 200 r/min后逐渐被整机噪声掩盖；

（4）发动机冷机（机油温度＜40℃）条件下被测功机倒拖时，异响也存在。

2 异响测试方案介绍

异响的分析在半消声室进行测试，测试方案中，发动机安装在测功机台架上，飞轮端通过联轴器与测功机相连。角标仪安装在发动机曲轴小头前端，以检测异响发生的曲轴相位。由于声音通过缸体传播，缸体的振动信号即表征声音特性，振动传感器安装在缸体上，同时在对应位置附近装有麦克风采集声音信号，采用LMS多通道数据采集系统同步采集曲轴位置信号、声音信号和振动加速度信号，以进行对比分析。

3 异响相关特征分析

图1中所示是异响发生时刻缸体振动和曲轴相位关系的分析结果，图中4条竖直方向的标记线分别为1-3-4-2缸点火上止点；从声音信号的分析可以看出，异响频率成分主要能量都在各缸点火上止点前约25～30°CA，部分测点在点火上止点后约25～30°CA处也有一定能量。

图1 异响对应的下缸体振动特性分析结果

图2 所示是异响对应的振动信号的频率分析结果，从信号的频率分析可以明显发现，发动机有“嗒嗒”异响绿线数据在2 000～4 800 Hz频带内明显高于无异响时的数据，异响的中心频率有3 000 Hz和4 700 Hz。在实际分析中，用滤波器过滤掉2 000～4 800 Hz的频带后，异响消除。

图2 异响对应的缸体下部振动信号频率特性

从以上分析结果可以表明，此种全浮式汽油机活塞销和连杆小头配合导致的异响，其信号具有两个明显特征：

1）异响发生在各缸点火上止点前约25°～30°，部分发生在点火上止点后约25°～30°处；

2）异响的频率分布主要在2 000 Hz～4 800 Hz范围内。

4 影响异响的因素试验分析

为分析研究导致活塞销与连杆小头异响形成的因素及其影响大小，针对可能导致异响的因素，设计了6种试验方案，每个试验方案仅仅改变其中一些变量，以评估其影响。方案1对活塞销进行了改动，活塞销相对初始设计提高了约10%的弯曲刚度；方案2中对活塞销的表面粗糙度进行了改动，表面粗糙度从Rz0.7变成Rz0.5；试验方案3中增大了活塞销和连杆小头之间的配合间隙，在原始设计方案的间隙值上限基础上再增加6μm；试验方案4对连杆小头的衬套进行了改动，在连杆小头上增加了“一”形的储油槽；试验方案5在连杆小头衬套上增加了V形储油槽；试验方案6在连杆小头衬套上增加了V形储油槽的同时，在原始设计方案的间隙值上限基础上再增加6μm。图3展示了“一”形的储油槽和V形储油槽的连杆小头外观。

图3 “一”形的储油槽和V形储油槽的连杆小头外观

上述试验方案通过逐一换件的方式依次更换到同一台发动机上进行试验分析，每次试验仅采用其中一种方案，发动机其它条件及试验条件不改变。方案及试验结果如表1所示。

表1 零件改变措施及试验结果

通过分析试验结果发现，仅仅通过改变活塞销的刚度（方案1），对异响几乎没有影响。同样，仅仅通过提高活塞销表面的粗糙度，对异响几乎也没有任何影响（方案2）。活塞销与连杆小头间隙在原设计间隙值上限基础上增加6μm后（方案3），异响消失，表明异响对配合间隙很敏感。在连杆小头的衬套上增加“一”形油槽（方案4）或者V形油槽（方案5）改善润滑后，异响都消失，表明润滑是影响异响的关键因素。然而，如果在连杆小头增加V形油槽的同时，配合间隙在原设计间隙值上限基础上增加6μm（方案6），异响重现，表明即使设计了储油槽，但是配合间隙过大也会造成异响。

另外试验发现，连杆小头衬套增加V形储油槽，且配合间隙在原设计间隙值上限基础上增加6μm（方案6），其异响的中心频率降低为2 000 Hz，但异响未消失。试验结果如图4所示。

图4 配合间隙在原设计间隙值上限基础上增加6μm测试结果

通过上述现象试验结果比较及分析，可以分析得到以下结论：

1）活塞销的刚度提高，外表面的粗糙度减小对异响无明显影响；

2）在原始设计的活塞销-连杆小头配合间隙值上限的基础上增加配合间隙，也可以消除异响；

3）连杆小头增加了储油槽可以消除异响，但间隙增加后异响重现，异响频带中心频率下移；

4）异响对活塞销与连杆间的配合间隙大小很敏感；

5）异响对机油温度敏感；

6）异响对机油压力敏感。

5 异响的成因及机理分析

关于活塞销与连杆小头配合导致的异响，不少文献对其进行了研究[1-4]。Nasser Moshrefi对其进行了研究和分析[1]，指出活塞销和连杆小头的异响有两个影响因素：活塞销和连杆小头的间隙大小、活塞销与连杆小头间隙的形状。张贵强等对某汽油机热机怠速活塞销与连杆小头敲击异响问题进行了试验研究[2]，指出活塞销与连杆小头的敲击异响对间隙很敏感，并通过改善连杆小头润滑的方式，消除了异响。

左正兴等[3]对半浮式活塞销噪声产生的机理进行了研究，通过对活塞连杆组活塞销轴承的混合润滑进行了动力学仿真分析，指出活塞销噪声主要来自于活塞销与连杆小头衬套间的碰撞，且活塞销噪声在其受到的活塞销座作用力方向的反转时刻附近发生；且证明了活塞销与连杆小头衬套间隙越大、发动机转速越高，活塞销与小头衬套间的碰撞越激烈，活塞销噪声越大。

王丹丹[4]等对连杆衬套的间隙、表面粗糙度、衬套材料、连杆衬套硬度、活塞销圆柱度等方面影响因素进行了分析，确认活塞销圆柱度超差会造成活塞销与连杆产生噪声。

结合本文试验分析情况，作者试图对活塞销和连杆小头的异响的形成机理进行分析。全浮式活塞销和连杆小头的配合，在确保两者的圆柱度合理的情况下，由于两者之间间隙的存在，在发动机的运转期间，活塞销相对于连杆小头有轴向串动和绕轴心的转动，同时，活塞销在活塞传递的惯性力和缸内气体压力等因素的共同作用下，在径向有相对于连杆小头中心的振动。活塞销和连杆小头之间不是完全的流体润滑状态，可能存在混合润滑、干摩擦状态的情况，因此，油膜的形成与否，决定了异响的存在与否，如果形成了油膜，活塞销和连杆小头之间不是直接金属接触，属混合润滑，不产生异响，如果不能形成油膜，则活塞销在其受到的连杆小头作用力方向的反转时刻附近（各缸点火上止点前或上止点后约25～30°CA），活塞销沿径向运动，直接敲击连杆小头形成干摩擦，金属间的直接撞击产生了在2 000～4 800 Hz频带内的“嗒嗒”异响。在混合润滑、干摩擦的边界润滑状态，油膜不稳定，所以异响仍然存在，但是由于润滑条件相对于干摩擦情况而言有改善，异响的中心频率下降。

活塞销与连杆配合运动副，两者的圆柱度、配合间隙大小、是否有改善润滑的设计，决定了运动副在发动机运转过程中处于混合润滑、边界润滑、干摩擦3种状态中的哪一种。

拆检存在“嗒嗒”异响的发动机，发现连杆小头衬套上有灼烧及磨损的痕迹，表明活塞销和连杆小头存在干摩擦的情况，证实了上述的推断。图5展示的是存在异响的发动机试验后的连杆小头外观。

图5 存在异响的发动机试验后的连杆小头外观

因此，可以解释全浮式活塞销与连杆小头异响的现象，及前文4影响异响的因素试验分析中所得到的结果。

对于连杆小头没有储油槽的设计，发动机设计图纸及技术条件确定后，活塞销与连杆小头配合的间隙值、机油牌号是确定的。在发动机运转过程中，机油温度随时间变化，粘度也随之变化。在机油温度低的时候（冷机怠速），相对于粘度，如果配合间隙与此刻温度条件下的机油粘度适合，机油容易进入连杆小头与活塞销的运动副之间，形成油膜，润滑条件良好，活塞销与连杆小头不存在直接接触，没有撞击，不产生异响。如果间隙过小，机油难以进入连杆小头与活塞销的运动副之间，形成不了油膜，异响产生。同样条件下，机油压力升高至400 kPa以上，由于飞溅的机油量增大，增加了机油进入活塞销与连杆小头之间的机会，润滑改善，形成混合润滑，异响消失。

同样可以解释试验方案6中异响的现象，相对于机油粘度，活塞销和连杆小头的配合间隙过大，虽然润滑油很容易进入到运动副中，但是由于流失速度也快，油膜虽然能形成，但属于边界润滑状态，不稳定，金属间直接敲击，也存在异响，但是由于润滑条件相对于干摩擦情况而言有改善，异响的中心频率下降至2 000 Hz。文献[2]中描述的也是类似情况。

6 活塞销和连杆小头设计准则

综合上述试验结果及异响产生的机理分析，可以得到避免全浮式活塞销与连杆小头产生异响的设计措施：

1）连杆小头设计有储油槽或其它改善润滑的特征；

2）适当大小的活塞销与连杆小头配合间隙；

3）连杆小头和活塞销圆柱度处于合理范围。

7 总结

本文对汽油机全浮式活塞销和连杆小头配合的异响进行了试验研究，考察了配合间隙、活塞销刚度、活塞销粗糙度、机油压力、储油槽等因素对噪声的影响。分析了异响的声音特征，并对其产生的机理进行了分析，提出了避免全浮式活塞销和连杆小头异响的运动副设计的准则。