基于台架的发动机配气机构气门敲击试验研究

赵进兵 杨国芳 周洪利 郝少华 赵松

摘  要：众多汽车NVH问题是由发动机机械运动引起的，配气机构作为发动机重要的机械组成部分，其气门运动引起的敲击振动、噪声特征与传递路径相关，且受发动机转速、润滑等因素影响。本文将从试验角度对发动机配气机构气门敲击特征进行研究，建立配气机构气门敲击特征识别试验台，开展气门敲击特征频率识别及其能量与发动机转速、润滑的依存相关性试验，掌握配气机构气门敲击振动、噪声的研究方法，为发动机在早期开发阶段建立配气机构优化的试验能力。

关键词：发动机;配气机构;气门敲击;振动;噪声

中图分类号：TK417       文献标识码：A       文章编号：1005-2550（2022）02-0047-05

Research On The Bench Test Of Engine Valve Mechanical Tapping

ZHAO Jin-bin， YANG Guo-fang， ZHOU Hong-li， HAO Shao-hua， ZHAO Song

（ Technical Center of Dongfeng Motor Corporation， Wuhan 430058， China ）

Abstract： Most automotive NVH problems are caused by the mechanical movement of the engine. As the valve mechanism is one important mechanical component of the engine， the NV （noise and vibration） which caused by the valves tapping is not only related to the transmission path， but also related to the engine speed， lubrication and other factors. In this paper， the mechanical tapping characteristics of the engine valve mechanism will be studied on the test bench which we build， the frequency characteristics of the mechanical tapping and the dependent correlation which is between tapping energy and engine speed， lubrication will be carried out. We not only have mastered the identification and research method of the mechanical tapping NV of the valve mechanism. and also got the test capability of the valve mechanism optimization which can be used in the engine early development stage.

Key Words： Engine; Valve; Tapping; Vibration; Noise

1    引言

隨着客户对汽车舒适度的要求越来越高，且因NVH问题给用户的感受是最直接的，NVH已成为消费者对汽车更为直观的舒适性评价指标。众多汽车NVH问题是由发动机机械运动引起的，配气机构作为发动机重要的机械组成部分，配气机构运行过程中气门运动引起的敲击振动、噪声特征与传递路径相关，且与发动机转速、润滑等相关。本文建立了配气机构机械运动敲击特征识别试验台，开展气门敲击特征分解的相关试验，识别出敲击特征频率，分析了敲击能量与发动机转速、润滑的依存相关性;通过试验掌握配气机构机械运动引起的气门敲击振动、噪声的试验方法。为发动机在开发阶段早期建立了配气机构优化的试验能力，通过对配气机构机械运动敲击特征的分离，可提早发现问题、改善问题，实现发动机配气机构的NVH性能分析技术前移，为开发设计阶段提供优化改善依据。

2    研究对象

本文所述试验技术研究是基于一款四缸汽油发动机，发动机信息见表1：

配气机构的功能是在发动机换气过程中定时开启和关闭气门，以保证发动机按需吸入新鲜空气和排除废气。双顶置直驱配气机机构由正时链、链轮（含VVT）、凸轮轴、机械挺柱、气门弹簧、气门、气门座圈等组成。顶置凸轮轴固定安装于气缸盖，曲轴通过正时链驱动凸轮轴旋转，气门在凸轮驱动下开启，气门在气门弹簧作用力下关闭。气门敲击[1]主要指气门开启时刻凸轮与挺柱间的敲击、气门关闭时刻气门落座与气门座圈间的敲击。

3    配气机构机械运动敲击特征识别试验

3.1   试验台搭建

为消除发动机曲柄连杆机构、喷油器等机械部件工作以及缸内燃烧引起的敲击振动、噪声的影响，发动机拆掉缸体、曲柄连杆机构、机油泵、喷油器、火花塞等机械部件，保留缸盖及配气机构，结合气门升程测量系统、振动噪声测量系统，搭建配气机构机械运动敲击特征识别试验台，搭建的配气机构机械运动敲击特征试验台[2]见图1。

配气机构由电机拖动按发动机正常运行的旋转方向运转，配气机构的润滑由外置的专用机油供给装置保证，机油供给装置可为配气机构提供不同温度、压力的机油循环，确保配气机构稳定可靠运行。

采用两路多普勒激光位移传感器分别同时测量缸盖的位移与速度和气门的位移与速度，通过计算得到实际的气门位移、速度，消除了振动的影响;使用增量式编码器获取凸轮轴转角为多普勒位移传感器提供零位移参考信号;激光信号处理设备将所测的气门升程/速度转换为电压信号输出到数采设备。

数据采集设备同时获取来自振动传感器、噪声传感器、激光信号处理设备的电压信号，实现振动、噪声、气门升程/速度信息的数据同步采集，数据采集设备将所采集的数据传输到上位机，由上位机数据处理分析软件保存处理。数据采样率设置为20kHz[3-4]。

3.2   试验过程

气门升程测试对象为发动机第3缸的进气门，反光纸粘贴位置见图1。为保证较好的敲击振动信号，各缸气门冷态间隙按设计值装配，进气门间隙设计值为0.15mm，排气门间隙设计值为0.25mm。

振动传感器靠近敲击点，结合配气机构运行情况及缸盖结构，振动传感器布置情况见图2，振动传感器①位于3缸凸轮轴承座附近，用于检测气门开启时刻凸轮与挺柱的敲击振动，振动传感器②位于3缸气门座圈附近，用于检测气门关闭时刻气门与气门座圈的敲击振动;振动传感器③缸盖外表面靠近与链壳刚性连接的位置，用于检测气门开启/关闭引起的缸盖表面振动。

噪声传感器④布置于进气侧，距发动机第3缸进气道10cm，见图2，用于检测进气门开启关闭引起的噪声。

试验工况：发动机曲轴转速稳定为650、750、850、1000、1500、2000、2500r/min，机油油压180kPa，机油温度稳定为30、50、60、70℃。

3.3   试验结果分析

3.3.1 气门敲击时刻分析

气门开启时凸轮与挺柱接触瞬间气门速度会突然变化，将气门速度突然增大的点定义为气门开启时刻;气门关闭时气门阀座给气门反向作用力，致使气门速度发生反向变化，将气门速度发生反向变化的时刻定义为气门关闭时刻。根据发动机第3缸气门速度确定出第3缸气门开启关闭时刻后，再结合发动机各缸工作顺序1-3-4-2确定出其他3个缸的气门开启关闭时刻，详见图3气门开启/关闭时刻分析图。

气门开启时刻，由于凸轮与挺柱突然相互作用，凸轮受力引起凸轮轴承座会有冲击响应，此时凸轮轴承座振动幅值相应的突然增大;气门关闭时刻，由于气门与气门座圈相互作用，气门座圈受力会产生冲击响应，此时气门座圈振动幅值相应的突然增大;如图3所示，准确识别出各缸气门开启/关闭引起的气门敲击振动。

3.3.2 气门敲击振动频率分析

首先对振动时域信号作FFT分析，找出高能量的频率段;然后对振动时域信号作小波分析[5]，在小波分析图中找出在FFT分析提取的高能量頻率段内高能量亮条对应的时刻，并找出与气门开启、关闭的哪个时刻相吻合;若与开启时刻吻合则作为气门开启敲击振动特征频率，若与气门关闭时刻吻合则作为气门关闭敲击振动特征频率。

以曲轴转速为750r/min工况数据为例，进行气门敲击振动特征频率分析工作，对时域信号作FFT分析、小波分析的结果见图4，得出进气门开启特征频率1800-4000Hz，进气门关闭特征频率为800-1400Hz、2700-3400Hz。

3.3.3 气门敲击振动能量分析

对时域信号作RMS（均方根值）计算[4]处理，取进气门开启、关闭时刻附近范围内的RMS最大值作为气门敲击振动能量评价指标，计算求得结果见图5所示：进气开启、关闭引起的敲击振动随转速升高而增大，且气门开启振动受转速影响更明显;进气关闭引起的敲击振动受温度影响不大，进气开启引起的敲击振动随油温升高而减小。

3.3.4 气门敲击振动响应分析

气门开启/关闭时刻在缸盖表面能够准确的检测到敲击振动信号，见图6。

缸盖表面气门敲击振动能量与敲击点附近的振动能量随转速变化的表现趋势一致，随着发动机转速升高而变大，见图7（a）、（b）。

3.3.5 气门敲击振动噪声分析

对气门敲击的振动、缸盖表面振动、缸盖近场噪声作频谱分析，计算频谱见图8：频率越高振动传播过程中能量衰减越快，较低频率的振动传递的更远，缸盖表面振动在800-1400Hz频段范围内有峰值，与进气门敲击振动特征频率有较好的对应关系。缸盖近场噪声在800-1400Hz频率范围内有峰值，与进气门敲击振动特征频率有较好的对应关系，气门敲击引起的振动与缸盖表面振动、缸盖近场噪声表现出相关性。以上说明气门敲击是引起缸盖表面振动、近场噪声的重要因素。

4    发动机整机验证试验

在发动机NVH试验台开展验证试验，由电机拖动发动机整机运行，喷油器、火花塞断电，排除喷油器工作、缸内燃烧的影响。

采集发动机缸盖表面振动、缸盖进气侧近场噪声，振动测点同图2所示的振动传感器③位置，麦克风布置于进气侧，与缸盖第3缸进气道平齐，距外轮廓表面10cm。

缸盖表面振动、进气侧近场噪声频谱见图9，缸盖表面振动、进气侧近场噪声在700-1100Hz频率段有明显峰值，大部分落在配气机构机械运动气门敲击特征频率范围800-1400Hz内，可以判断该振动、噪声峰值与配气机构机械运动密切相关。

配气机构机械运动气门敲击特征识别试验提取的特征频率：在发动机产品应用阶段，用于发动机整机运行的异响诊断，可快速判断异响原因是否与配气机构相关，提升产品开发效率;在发动机开发设计阶段，提取的频率可用于产品优化设计，避开相关频率，降低发动机产品出现异响的风险，改善产品设计品质。

5    结论

1. 为探寻配气机构机械运动的气门敲击振动、噪声激励机理，搭建配气机构机械运动敲击特征识别试验台，精准的识别出气门开启关闭引起的振动。

2. 开展配气机构机械运动气门敲击振动、噪声特性试验：气门敲击振动随着转速升高逐渐增大;随着机油温度升高逐渐减小;敲击引起的振动与噪声有强相关性。

3. 配气机构机械运动气门敲击特征识别试验提取的敲击特征频率，在发动机产品应用阶段，可用于发动机整机异响诊断，发动机整机运行时测量气缸盖外表面的振动信号及发动机的近场噪声，通过对发动机缸盖表面振动信号及噪声信号进行小波分析和频谱分析，快速判断异响是否由配气机构引起的，提升产品开发效率;在发动机开发设计阶段，提取的频率可用于产品优化设计，避开相关频率，降低发动机产品出现异响的风险，改善产品设计品质。

参考文献：

[1]夏铁权.内燃机配气机构噪声发生机理与控制措施研究[D].重庆大学，2007年.

[2]Dumitru M.Beloiu.Modeling and Analysis of Valve Train，Part I -Conventional Systems [J].SAE，2010.

[3]Richard H.Lyon.An Investigation of Valve Train Noise for the Sound Quality of I.C. Engines [J]. SAE，1999.

[4]Justin Flett and Gary M.Bone.Fault detection and diagnosis of diesel engine valve trains [J]. Mechanical Systems and Signal Processing：72-73，2016，316–327.

[5]楊金才，钱凌锋，庞剑等. 气门噪声的小波分析方法[J]. 重庆理工大学学报（自然科学） 第24卷，第12期，2010年.

赵进兵

毕业于武汉理工大学，学士学位，现就职于东风汽车集团有限公司技术中心，任动力总成振动噪声试验及开发主管工程师。

专家推荐语

李鸿飞

国家汽车质量监督检验中心（襄阳）

汽车结构疲劳专业副总师  研究员级高级工程师

本文设计了配气机构机械运动敲击特征识别试验台，通过试验识别出敲击特征频率，分析了敲击能量与发动机转速、润滑的相关性;通过对配气机构机械运动敲击特征的分离，为优化发动机配气机构机械运动敲击特征识别，排除异响提供理论基础。对开发设计阶段改善配气机构异响有较好指导意义。