淺析摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速噪音原因及改進(jìn)措施

李龍

（廣東嘉納仕科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

摩托車除了起到代步工具作用外，也逐漸成為娛樂工具，且經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也提高了整車舒適性與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪音的要求。近年來我國針對(duì)摩托車性能要求出臺(tái)了一系列的法律法規(guī)，確保了摩托車產(chǎn)品的安全性能，其中發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)噪音作為強(qiáng)檢項(xiàng)目受到廣泛重視。導(dǎo)致摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的原因多種，主要包括如下兩種情況：其一，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部噪音，該類噪音主要是因內(nèi)部零件固體傳聲后，再經(jīng)整車向空氣中傳播噪音；其二，直接輻射于空氣中，該類噪音產(chǎn)生原因?yàn)闅饬髡駝?dòng)。除上述兩種原因外，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲均是因該種方式予以傳播，且根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理可將其分為燃燒與機(jī)械噪聲兩種。其中燃燒噪聲是指在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃料或燃料與空氣混合物燃燒所產(chǎn)生的噪聲，該類噪聲大小與燃料燃燒方式與速度具有相關(guān)性；而機(jī)械噪聲產(chǎn)生原因?yàn)槟ν熊嚢l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各個(gè)運(yùn)動(dòng)副與固定件間力相互作用。現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速噪音大原因及其改進(jìn)措施進(jìn)行如下分析：

1 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源機(jī)理

由于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音根據(jù)其機(jī)理可分為燃燒與機(jī)械噪音兩種，因而現(xiàn)對(duì)兩種機(jī)理進(jìn)行如下分析。

（1）燃燒噪聲機(jī)理。通常情況下，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型均為點(diǎn)燃式的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣行程吸入到空氣與燃料混合物，然后于活塞上進(jìn)行壓縮燃燒室容積，當(dāng)提高了缸內(nèi)壓力以及溫度后火花塞跳火點(diǎn)燃混合氣，并且推動(dòng)活塞做功，最后將燃燒所形成的廢氣予以排出。在做功行程階段過程中所產(chǎn)生的噪聲類型主要為燃燒噪聲，在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生噪音中，該類原因占有較大比例。

（2）機(jī)械噪聲機(jī)理。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)燃料燃燒的形式來推動(dòng)活塞做直線運(yùn)動(dòng)，然后將直線運(yùn)動(dòng)通過曲柄連桿轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在此過程中，均需隨著曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)促使與之相關(guān)配氣機(jī)構(gòu)與齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)而運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的根源為所有機(jī)械部件旋轉(zhuǎn)與振動(dòng)、氣門開閉以及齒輪嚙合等多種動(dòng)作，均為機(jī)械噪聲。

2 某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音分析

2.1 問題描述

某款摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在新機(jī)試裝時(shí)明顯發(fā)生較大異響，且經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致噪音大的原因?yàn)榍S箱在怠速時(shí)發(fā)出非常大的“咔嚓咔嚓”異響聲。

2.2 噪音測試

于半消音室內(nèi)將出現(xiàn)怠速噪音問題的發(fā)動(dòng)機(jī)予以振動(dòng)噪音測試，在測試前確保半消音室內(nèi)部的背景噪音為20dB，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，全面收集其振動(dòng)信息與噪音信號(hào)。并在收集信息過程中均于發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸承座以及離合器邊蓋上設(shè)置振動(dòng)傳感器，并于發(fā)動(dòng)機(jī)四周布置噪音傳感器，以此來更好地詳細(xì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位振動(dòng)噪音數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

在分析噪音傳感器收集噪音頻譜圖數(shù)據(jù)中可得出，該摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)離合處所產(chǎn)生的噪音主要集中于2200 ～2800Hz范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)產(chǎn)生噪音的原因可能為離合其箱體在運(yùn)行中產(chǎn)生的共振頻率；低頻頻率則為580Hz，產(chǎn)生原因可能在于對(duì)離合器進(jìn)行敲擊結(jié)果。且只要能夠?qū)⒃胍纛l率控制在2200 ～2800Hz 范圍內(nèi)，噪音能量便能確保發(fā)動(dòng)機(jī)聲音處于一個(gè)相對(duì)合理范圍內(nèi)。在怠速狀態(tài)下，該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm，而離合器中嚙合齒數(shù)為23 齒。通過研究表明，齒輪實(shí)際嚙合頻率為570Hz，其因在怠速狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)存在較為明顯轉(zhuǎn)速波動(dòng)，因而其頻率與離合器的敲擊頻率較為吻合，且噪音激勵(lì)源為580Hz 敲擊頻率。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速噪聲大改進(jìn)措施

3.1 激勵(lì)頻率確定

根據(jù)相關(guān)人員對(duì)測試數(shù)據(jù)的計(jì)算表明，于怠速狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的噪音均因離合器齒輪嚙合中所產(chǎn)生的沖擊為激勵(lì)源。在后期驗(yàn)證中采用排除法，于半消音臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行倒拖試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖的動(dòng)力源為直流電動(dòng)機(jī)，如此便能有效消除在點(diǎn)火過程中發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。在試驗(yàn)中表明，轉(zhuǎn)速相同前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖中的曲柄箱內(nèi)并未差生任何噪音。經(jīng)過試驗(yàn)便可有效斷定，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生怠速的原因在于轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)了齒輪嚙合沖擊，導(dǎo)致噪音的發(fā)生。

3.2 激勵(lì)分析

（1）轉(zhuǎn)速波動(dòng)測試。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)實(shí)施高速身影設(shè)備予以測試，經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析可表明，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在初始值狀態(tài)下實(shí)際產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動(dòng)系數(shù)為0.21，該轉(zhuǎn)速波動(dòng)系數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了可控范圍。此時(shí)便可通過適當(dāng)增加發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方法，并且適當(dāng)調(diào)整點(diǎn)火角度，便可對(duì)波動(dòng)系數(shù)予以有效控制。經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)整便將波動(dòng)系數(shù)下降至0.07，使其處于一個(gè)可控的范圍內(nèi)。

（2）離合器緩沖系統(tǒng)剛度。研究表明離合器齒輪嚙合中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，而造成嚙合沖擊增強(qiáng)的主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)速波動(dòng)大，另一原因則為不合理的緩沖扭振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，離合器主要通過依賴緩沖扭振系統(tǒng)的方式來進(jìn)一步減緩沖擊力。因此，這就要求相關(guān)人員在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)緩沖扭振系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理設(shè)計(jì)緩沖扭振系統(tǒng)的剛度，如此才能最大限度地發(fā)揮緩沖扭振系統(tǒng)所具有的減震作用。分解該摩托車離合器后發(fā)現(xiàn)，因用錯(cuò)彈簧從而增多了離合器扭轉(zhuǎn)剛度，隨之增加了整個(gè)系統(tǒng)剛度，最終造成系統(tǒng)緩沖扭振系統(tǒng)喪失其原本所具有的減震作用，離合器嚙合出現(xiàn)嚴(yán)重的噪音問題。

3.3 其他改進(jìn)措施

（1）控制燃燒噪聲。對(duì)燃油于新鮮空氣供給量進(jìn)行精確控制，旨在充分地燃燒燃料，同時(shí)通過空點(diǎn)火提前角來降低其爆燃的傾向，從而減少燃燒噪聲。同時(shí)對(duì)活塞與氣缸壁結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化，或者采用特殊鍍層來進(jìn)一步降低活塞與氣缸壁因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。除此之外，適當(dāng)?shù)卦玳]排氣行程過程中的排氣門，對(duì)汽缸內(nèi)廢氣的留存量予以適當(dāng)增大，從而還需要進(jìn)一步提高新鮮混合氣溫度，盡可能地縮短燃燒時(shí)間，以起到降低噪聲的目的。

（2）降低齒輪噪聲。一般情況下，斜齒輪具有較好的嚙合性，且與直齒輪相比其傳力性更佳，但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有一定的軸向力。若摩托車機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠允許斜齒輪的應(yīng)用，則與直齒輪相比，將會(huì)降低嚙合噪聲約10dB 左右，且隨著斜齒輪螺旋角增加噪聲隨之減小。當(dāng)控制齒輪嚙合系數(shù)于1.1 ～1.9 之間時(shí)，則嚙合系數(shù)變化不會(huì)在很大程度上影響到噪聲效果，但當(dāng)其增大到2 時(shí)，便會(huì)顯著增加噪聲。除此之外，還需控制齒輪間隙于0.2mm 以內(nèi)，否則會(huì)加劇噪聲。根據(jù)相關(guān)研究資料顯示，有一種新型的高分子材料可取代金屬制造齒輪，其不僅能夠符合機(jī)械強(qiáng)度的要求，還可顯著地減少發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

（3）降低配氣機(jī)構(gòu)噪聲。配氣機(jī)構(gòu)噪聲在總發(fā)動(dòng)機(jī)噪音中也占有一定比例，其產(chǎn)生于進(jìn)排氣門開閉過程中。因此，為降低該噪音可進(jìn)一步加強(qiáng)進(jìn)排氣閥門機(jī)構(gòu)的潤滑度，在設(shè)計(jì)的過程中選擇一個(gè)合適的間隙，并且對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，旨在確保氣門開閉更為順暢，以此來減小發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。

（4）控制排氣噪聲。通常情況下，對(duì)排氣噪聲予以控制的方式為在排氣管尾端加裝消聲器。而隨著近年來材料的發(fā)展，也顯著增強(qiáng)了消聲器的除音效果，如杜邦公司所研發(fā)的鋁箔、氯丁橡膠與玻璃纖維等材料所制成的新型消聲器材，比傳統(tǒng)消聲器相比能夠顯著地降低20%～25%的噪聲聲壓級(jí)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文在對(duì)某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速噪音大的測試數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，主要原因?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)過大，從而增加了齒輪嚙合沖擊；離合器扭轉(zhuǎn)剛度增加而降低減震效果，增加嚙合沖擊。為解決發(fā)動(dòng)機(jī)噪音，可通過對(duì)離合器緩沖扭振系統(tǒng)剛度于阻尼特性能合理設(shè)計(jì)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等方式而實(shí)現(xiàn)。除此之外，站在噪聲產(chǎn)生源頭給出降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的相關(guān)建議，但除了降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲外，還需要綜合考慮到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及相關(guān)的排放指標(biāo)等，旨在起到最佳的改良效果。