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：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：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1LMS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].噪声与振动制,2015.12(6):119-122[2]何邦全,姚春德,刘增勇等.三缸发动机的平衡与结构设计[J].小型内燃机,2000.04:5-8[3]郁其祥,王明武,戴建飞.三缸汽车发动机的曲轴平衡与振动测试[J].噪声与振动控制，2000.10(5):15-17