发动机凸轮轴磨削振纹影响与控制方法_贾絮影.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n产品分析发动机凸轮轴磨削振纹影响与控制方法贾絮影,张兴法,常雪嵩,刘鲁平,何 帅,刘俊杰,马京卫(长城汽车股份有限公司,河北省车用发动机技术创新中心(筹),河北 保定 0 7 1 0 0 0)摘 要:凸轮轴是发动机配气机构的驱动零部件,凸轮的轮廓形状是影响发动机性能的主要因素,其表面质量直接影响气门的运动特性、气门机构的磨损与发动机噪声水平。由于凸轮轮廓属于异形曲面,加工时凸轮表面的磨削力是不断变化的,在加工过程中凸轮、砂轮表面力的变化极易引起振动产生磨削振纹,这是凸轮加工过程中最常见的缺陷之一。本文通过对凸轮表面振纹与发动机NVH表现研究,结合后续试验数据制定振纹测量方法和评判标准,为凸轮轴的生产提供了依据,同时在发动机上避免异响问题。关键词:凸轮轴;磨削振纹;评判标准;异响 中图分类号:U 4 6 4.1 3 4+.1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 3 7-0 3I n f l u e n c ea n dC o n t r o lM e t h o do fE n g i n eC a m s h a f tG r i n d i n gC h a t t e rM a r kJ i aX u-y i n g,Z h a n gX i n g-f a,C h a n gX u e-s o n g,L i uL u-p i n g,H eS h u a i,L i uJ u n-j i e,M aJ i n g-w e i(G r e a tW a l lA u t o m o b i l eC o.,L t d.,H e b e iA u t o m o t i v eE n g i n eT e c h n o l o g yI n n o v a t i o nC e n t e r(t ob ee s t a b l i s h e d),H e b e iB a o d i n g0 7 1 0 0 0)A b s t r a c t:T h ec a m s h a f t i s t h ed r i v i n gp a r t o f t h e e n g i n ev a l v e t r a i n.T h e c o n t o u r s h a p eo f t h e c a mi s t h em a i nf a c t o ra f f e c t i n g t h e e n g i n ep e r f o r m a n c e.I t s s u r f a c eq u a l i t yd i r e c t l ya f f e c t s t h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ev a l v e,t h ew e a ro f t h ev a l v et r a i na n dt h ee n g i n en o i s el e v e l.B e c a u s et h ec a mp r o f i l eb e l o n g st oas p e c i a l-s h a p e ds u r-f a c e,t h eg r i n d i n gf o r c eo nt h ec a ms u r f a c ei sc o n s t a n t l yc h a n g i n gd u r i n g m a c h i n i n g.D u r i n g m a c h i n i n g,t h ec h a n g eo f t h e s u r f a c e f o r c eo f t h e c a ma n d t h eg r i n d i n gw h e e l i sv e r ye a s y t oc a u s ev i b r a t i o na n dp r o d u c eg r i n d i n gc h a t t e rm a r k s,w h i c hi so n eo f t h em o s t c o mm o nd e f e c t s i n t h e c a mm a c h i n i n gp r o c e s s.I n t h i sp a p e r,b a s e do n t h er e s e a r c ho n t h e c a ms u r f a c ev i b r a t i o np a t t e r na n de n g i n eNVHp e r f o r m a n c e,c o m b i n e dw i t ht h e f o l l o w-u p t e s t d a-t at od e v e l o pt h ev i b r a t i o np a t t e r nm e a s u r e m e n tm e t h o da n de v a l u a t i o nc r i t e r i a,w h i c hp r o v i d e sab a s i sf o rc a m-s h a f tp r o d u c t i o n,a n da t t h es a m e t i m e,t oa v o i dt h ep r o b l e mo f a b n o r m a ln o i s eo nt h ee n g i n e.K e yw o r d s:C a m s h a f t;G r i n d i n gc h a t t e rm a r k s;E v a l u a t i o nc r i t e r i a;A b n o r m a ln o i s e作者简介:贾絮影(1 9 8 6),男,工程师,主要从事发动机设计开发。0 引言随着用户对于汽车声品质要求越来越高,各汽车公司都在努力提高产品质量和加工精度以获得更低的噪音,给用户带来更多的驾驶乐趣。对于车用凸轮轴来说,置于发动机顶部,其运动过程中的声品质显的尤为重要。凸轮轴过去靠目视靠感观来检查的微观质量,现在越来越多的需要用仪器检查,需要量化标准,只有依靠数据说话,才能减少争议,规避质量风险;同时数据检查有利于实施质量预防,对质量改善起着积极推动作用。凸轮表面振纹(如图1凸轮振纹)的测量标准的研究与应用就是很好的应用案例。通过专用设备检测凸轮表面,分离得到一系列不同振幅的波纹,用来分析得出与发动机噪声关系,以提前规避异响问题,提升整车声品质。图1 凸轮振纹本文主要结合某增压直喷汽油机凸轮振纹导致异响问题的整改过程,制定了凸轮加工过程中的控制措施及检测标准。1 问题简述1.1 发动机技术参数本文选取某G D I T汽油机为研究对象,发动机的主要技术参数如表1所示。表1 发动机主要参数基本参数参数值型式V 6、D OHC、增压中冷、G D I排量(L)2.9 9 3缸径冲程(mm)8 0.59 8最高燃油喷射压力/b a r3 5 0最大功率/转速(kW/r p m)2 6 5/6 0 0 0最大扭矩/转速(Nm/r p m)5 1 0/1 5 0 04 5 0 01.2 问题简述图2 故障发动机噪声频谱图73DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0312 0 2 3年第9期某批试验车反馈6台下线均存在异响,经用专业设备测试,异响源为高压油泵凸轮与其从动件,异响呈1 1 0阶次噪声,1 6 0 0-2 5 0 0 r p m转速范围内最明显,图2为故障发动机噪声频谱。在整车上进行生源定位,锁定噪声位置源于于高压油泵处,为快速锁定异响件,对故障车去除高压油泵挺柱着车验证。主观评价异响消失,用设备测试分析,频谱分析1 1 0阶噪声消失,图3为故障发动机去除高压油泵挺柱后异响频谱。图3 去除油泵挺柱频谱图1.3 问题总结通过对异响发动机音频数据分析,异响频率4 0 0 0-5 5 0 0 H z,异响呈现1 1 0阶次特征,即曲轴转一圈异响出现1 1 0次,且此异响与发动机转速无关。主观评价在发动机和整车状态下1 6 0 0-2 5 0 0 r p m转速段异响较明显,评价不可接受。经换件锁定异响与凸轮轴相关,对故障件凸轮的型线、粗糙度、形位公差等尺寸检测,均未见异常。结合异响呈周期特征,需引入振纹评价标准来评价凸轮表面加工质量。2 原因分析2.1 凸轮表面质量评价指标凸轮表面加工质量一般来说从波长/频率上来分析,可以由粗糙度、波纹度和形位公差三个层次来评价,如图4凸轮表面轮廓示意图中所示。本文描述问题中凸轮振纹宽度大于1 mm且幅值0.0 1 mm以内,即大于1 0 0适用于波纹度评价范畴。波纹度即凸轮理想轮廓的不平度,用幅值m和频率U P R(每个圆周波动次数)表示。图4 凸轮表面轮廓示意对于凸轮表面质量评价归类:波距小于1 mm,1 0 0 0的属于形状误差。备注:=波距/幅值。检测凸轮型线数据,通过傅里叶变换得出不同频率段的波形,取不同频率段的波峰波谷的最大差值生成图表,用于分析工件加工后的异常波形,避免在发动机上产生噪声。2.2 振纹的分类振纹是零部件表面上的横向痕迹呈连续周期性波动的形状。凸轮回转表面因磨削不当而在其表面形成的一种微观形状结构,就频率而言,它们介于粗糙度和形位公差之间,对于凸轮振纹而言属于“圆周波纹度”评价范畴。此时的频率约在4 03 0 0 U P R之间,因振纹可见度而言,可以分为“棱面”和“颤痕”。“棱面”发生的频率在4 07 5 U P R,振痕深而宽,手感最明显,频率较低;“颤痕”发生的率在7 53 0 0 U P R,表面振痕浅而窄,手感不明显,频率较高。2.3 噪声原理分析噪声是由于零部件间冲击产生,冲击来源于力(位移)的相对变化。当凸轮表面振纹的存在,在发动机运行过程中会对气门机构产生谐振波激励,振纹足够大时运动产生冲击噪声就会逐渐变大,直到影响到整机噪声。即,两个配合零部件表面产生相互运动时,由于零部件按凸轮外形运转叠加实际轮廓表面波形(振纹)后,使运动件间产生附加的摩擦阻力,摩擦阻力变大则产生冲击噪声。尤其是当与气门落座叠加时,落座速度/力就会增大,冲击噪声更为凸显。结合异响原因分析,我们可以得出凸轮表面周期性波动次数(频率)的二倍即是对应发动机异响频率。此问题为1 1 0阶 噪 声,检 测 振 纹 大 小 来 分 析 对 应 凸 轮 表 面2 2 0 U P R频率段的波纹度大小。3 对策验证利用A D C O L E设备检测凸轮表面实际轮廓,设备采用傅里叶变换将凸轮表面杂乱无章的形状还原成一系列频率下的波形,提取得到各频率段波形的振幅,用于分析异响件各频率段的振幅是否存在异常,这些都可以通过设备自动完成。设备输出横坐标频率U P R和纵坐标波纹度m的频谱图,用于清晰明了的分析异响特征。3.1 故障件确认通过对6台发动机故障机检测,发现凸轮2 2 0 U P R频率段附近振幅值0.1 2至0.1 4 5m左右,超出附近值近一倍,存在明显异常。故障凸轮轴振纹检测结果详见图5。图5 故障凸轮频谱图3.2 故障复现将故障件凸轮用砂带进行抛光处理,用A D C O L E设备检测,凸轮表面波纹度明显减小,测量显示在2 2 0 U P R频率波纹度最大0.0 3m,主观评价异响消失。测试噪声频谱图详见图6。83内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n图6 凸轮剖光后噪声频谱图噪声频谱显示1 1 0阶次噪声改善明显,分析在4 0 0 0-5 5 0 0 H z频率段减小3 d B A以上,发动机和整车驾驶室内外均未识别异响,可接受。3.3 标准化依 据 故 障 复 现 信 息,制 作2 2 0 U