汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲概述分析

哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司/曹顯華

引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)品質(zhì)的重要因素之一。隨著顧客乘用體驗(yàn)要求的不斷提高、競(jìng)爭(zhēng)車型水平不斷提高、政府法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生的需求也日益提高。

在顧客對(duì)車輛不滿意的所有問題中，大約有1/3是與振動(dòng)和噪聲相關(guān)；在售后服務(wù)的顧客投訴中，大約有1/5與振動(dòng)和噪聲相關(guān)；在車輛的開發(fā)過程中，大約有1/5的資源用于解決振動(dòng)和噪聲問題。

一、振動(dòng)與噪聲概述

1.1 振動(dòng)與噪聲的定義

1.2 振動(dòng)與噪聲的主觀評(píng)價(jià)

1.3 振動(dòng)與噪聲的客觀評(píng)價(jià)

二、評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲的工況

2.1 穩(wěn)定工況

2.2 交變工況

三、影響發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲的因素

3.1 齒輪嚙合傳遞

3.2 節(jié)氣門打開/關(guān)閉

3.3 離合器分離/結(jié)合

3.4 發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

3.5 進(jìn)氣系統(tǒng)

3.6 排氣系統(tǒng)

3.7 機(jī)械噪聲

3.8 燃燒噪聲

3.9 流動(dòng)噪聲

3.10 輻射噪聲

四、減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲的途徑

4.1 加強(qiáng)筋

4.2 深裙式氣缸體

4.3 油底殼結(jié)構(gòu)

4.4 氣缸體后部

4.5 啟動(dòng)機(jī)

4.6 變矩器/離合器殼體

（一） 振動(dòng)與噪聲概述

1.1 振動(dòng)與噪聲的定義

振動(dòng)是指一個(gè)狀態(tài)改變的過程，即物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在許多情況下，振動(dòng)被認(rèn)為是消極因素，例如振動(dòng)會(huì)加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，從而縮短機(jī)器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命。然而振動(dòng)也有它積極的一面，如振動(dòng)篩選、振動(dòng)研磨、振動(dòng)拋光、振動(dòng)消除內(nèi)應(yīng)力等。

噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音。從環(huán)境保護(hù)的角度看，凡是妨礙到人們正常休息、學(xué)習(xí)和工作的聲音，以及對(duì)人們要聽的聲音產(chǎn)生干擾的聲音，都屬于噪聲。從物理學(xué)的角度來看：噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音。

1.2 振動(dòng)與噪聲的主觀評(píng)價(jià)

振動(dòng)與噪聲的評(píng)價(jià)受顧客主觀的影響比較大。不同的顧客對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲的喜好不同，有的時(shí)候甚至截然相反。如有的顧客喜歡運(yùn)動(dòng)風(fēng)格與激烈駕駛，希望發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出轟鳴有力的聲音，有的顧客喜歡安靜而舒適的感覺，希望發(fā)動(dòng)機(jī)具有輕盈低微的工作聲音。不同的顧客自身感官敏感度的不同，對(duì)同一聲音具有不同的感受程度。甚至于同一顧客，在不同的身體條件、不同的心情環(huán)境下，對(duì)振動(dòng)與噪聲的感受與評(píng)價(jià)也不相同。

一般通過一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（評(píng)價(jià)分值或等級(jí)）來對(duì)特定產(chǎn)品的振動(dòng)與噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)，通常需要適量的評(píng)價(jià)者和評(píng)價(jià)對(duì)象的樣本數(shù)量以達(dá)到平均值。主觀評(píng)價(jià)的人員通常分為若干小組，每個(gè)小組有4～5人對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得出評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)值。

1.3 振動(dòng)與噪聲的客觀評(píng)價(jià)

振動(dòng)與噪聲的客觀評(píng)價(jià)主要包括：駕駛員和乘客耳朵的聲音、地板或座椅軌道的振動(dòng)、方向盤的振動(dòng)、椅子和人體的振動(dòng)。

（二）評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲的工況

2.1 穩(wěn)定工況

穩(wěn)定工況包括：怠速工況、巡航工況。

2.2 交變工況

交變工況包括：全加速、半加速、減速、倒車、急加油門、急減油門、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

（三）影響發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲的因素

3.1 齒輪嚙合傳遞

齒輪噪聲是一種對(duì)來自齒輪組產(chǎn)生的傳動(dòng)角度旋轉(zhuǎn)變化的響應(yīng)，這種噪聲是齒輪、軸承、軸和傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)座相互作用的結(jié)果，這種激勵(lì)源來自齒輪嚙合時(shí)的嚙合處，通過不同的連接傳到車身。齒輪聲通常表現(xiàn)為嗚嗚的叫聲，發(fā)生在200～1800Hz這一范圍內(nèi)。

3.2 節(jié)氣門打開/關(guān)閉

節(jié)氣門由開到關(guān)或由關(guān)到開時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)存在擺動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)在扭矩反向時(shí)隨著傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)余量變化，當(dāng)擺動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，一個(gè)扭轉(zhuǎn)脈沖就會(huì)通過驅(qū)動(dòng)輪和懸架傳到車身。

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增加越快，響應(yīng)就越嚴(yán)重，對(duì)于給定的節(jié)氣門開度，最后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩增加是由進(jìn)氣歧管的容積限制的，它們成指數(shù)關(guān)系，如果瞬時(shí)空燃混合物保持均勻，那么進(jìn)氣歧管的容積越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩增加就越慢。

圖1

圖2

3.3 離合器分離/結(jié)合

這種振動(dòng)一般發(fā)生在加速踏板下壓時(shí)，如果高擋位30～40km/h時(shí)最為嚴(yán)重。在帶有自鎖變矩器傳動(dòng)軸的車輛上，開式變矩器可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升到超過這個(gè)抖動(dòng)范圍，從而過濾發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩脈沖，通常前輪驅(qū)動(dòng)的車比后輪驅(qū)動(dòng)的車更加嚴(yán)重。

3.4 發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲

發(fā)電機(jī)因?yàn)樽陨磙D(zhuǎn)速很高，因此也是一種很大的振動(dòng)噪聲根源。如果傳動(dòng)比大約為3.3，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速靠近6000r/min時(shí)，最大的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20000r/min。在如此高速下，來自冷卻風(fēng)扇的噪聲和一些不平衡力就會(huì)更加嚴(yán)重，從NVH的觀點(diǎn)來看，降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和增加安裝支架的剛度可以有效地降低激勵(lì)源，既然發(fā)電機(jī)的冷卻需求作為決定傳動(dòng)比的考慮因素，發(fā)電機(jī)的位置和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流就應(yīng)該首先考慮。

3.5 進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣系統(tǒng)通常通過下面四個(gè)方面產(chǎn)生影響。消音容積、進(jìn)氣口的位置、進(jìn)氣口噪聲、殼體的輻射噪聲。

3.5.1 一般來說，消音容積越大越好，對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，通常消音元件的容積要求達(dá)到10到15L。

3.5.2 進(jìn)氣管口的位置選擇要考慮四個(gè)因素：噪聲源的角度，考慮避免水、雪、灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，氣體在進(jìn)氣系統(tǒng)中運(yùn)行通暢，進(jìn)氣口與節(jié)氣門之間的空間。

3.5.3 一般采用下述兩種方法減小進(jìn)氣口噪聲：進(jìn)氣管延伸插入空氣濾清器殼體或使用串聯(lián)的赫爾姆茲消音器。單個(gè)赫爾姆茲消音器只能消除一個(gè)頻率及其附近頻帶的噪聲，兩個(gè)串聯(lián)的赫爾姆茲消音器可以消除兩個(gè)頻率的噪聲。

3.5.4 進(jìn)氣系統(tǒng)的影響。在進(jìn)氣歧管與空氣濾清器殼體之間增加柔性管。這種柔性管的剛度非常低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)基本上被隔掉，傳遞到車體上的振動(dòng)非常??；托板與車體之間用橡膠墊隔開，這樣車體的振動(dòng)和進(jìn)氣系統(tǒng)的振動(dòng)彼此隔開。

圖3

3.6 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在下述四個(gè)方面。空氣動(dòng)力噪聲、沖擊噪聲、 輻射噪聲、尾管噪聲。

3.6.1 空氣動(dòng)力噪聲?？諝鈿饬魇欠€(wěn)定的，空氣動(dòng)力噪聲取決于排氣管道的直徑，排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。低轉(zhuǎn)速時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲是主要噪聲來源。

3.6.2 沖擊噪聲。排氣管道中不穩(wěn)定的氣流會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，從而形成沖擊噪聲。比如，排氣多支管彎曲段的弧度太小，發(fā)動(dòng)機(jī)出來的氣流會(huì)對(duì)它產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，從而發(fā)出“砰砰”的沖擊噪聲。在管道截面積突然變化的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生沖擊噪聲。

3.6.3 輻射噪聲。輻射噪聲的大小取決于這些板結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形狀、剛度等。輻射噪聲的頻率與薄板結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率是一致的。解決輻射噪聲的途徑有兩個(gè)：減少激勵(lì)、改變結(jié)構(gòu)的特征，如質(zhì)量、剛度和阻尼。

3.6.4 尾管噪聲。尾管的輻射噪聲是一種脈動(dòng)噪聲。聲音是以平面波在管道中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)尾管時(shí)，氣流就產(chǎn)生脈動(dòng)噪聲，就好像在尾管處有一個(gè)活塞在運(yùn)動(dòng)。

3.7 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲主要包括：活塞裙部與頭部對(duì)氣缸壁的敲擊噪聲、氣門對(duì)氣門座圈的敲擊噪聲、噴油器針閥對(duì)座體的敲擊噪聲、正時(shí)鏈條與鏈輪的摩擦噪聲、輪系與皮帶的摩擦噪聲、壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、機(jī)油泵齒輪的嚙合噪聲、平衡軸齒輪的嚙合噪聲、軸徑與軸瓦/軸孔之間的撞擊與摩擦噪聲、曲柄的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)總成自身頻率振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置安裝點(diǎn)的振動(dòng)、曲軸的扭矩波動(dòng)、啟動(dòng)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。

3.8 燃燒噪聲

燃燒噪聲主要是氣體燃燒時(shí)氣缸中變化的壓力波不斷沖擊燃燒室壁，使其產(chǎn)生振動(dòng)并使機(jī)體向外輻射的噪聲。因?yàn)闅飧讋偠却螅哉耦l率高，因此燃燒噪聲呈現(xiàn)高頻特性。燃燒噪聲氣缸內(nèi)壓力呈周期變化，頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。燃燒噪聲大小與內(nèi)部壓力有關(guān)，壓力越大，燃燒噪聲越大。燃燒噪聲是通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體向外輻射。

3.9 流動(dòng)噪聲

流動(dòng)噪聲主要包括：節(jié)氣門氣體節(jié)流噪聲、冷卻液循環(huán)流動(dòng)噪聲、機(jī)油循環(huán)流動(dòng)噪聲、排氣氣體流動(dòng)噪聲。

3.10 輻射噪聲

輻射噪聲主要包括：油底殼輻射噪聲、氣缸體/氣缸蓋輻射噪聲、進(jìn)氣歧管輻射噪聲、排氣歧管輻射噪聲。

（四） 減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲的途徑

4.1 加強(qiáng)筋

對(duì)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋是獲得高硬度值的一種方法，而且還可以減少重量和成本。保持兩個(gè)螺栓連接面的連續(xù)性的最大連續(xù)加強(qiáng)筋長(zhǎng)度應(yīng)該用到，加強(qiáng)筋應(yīng)該沿著模態(tài)變形最大值區(qū)域和彎曲模態(tài)振型全息成像下邊沿正確的角度布置。發(fā)動(dòng)機(jī)加強(qiáng)筋應(yīng)該和附件匹配的凸臺(tái)混合在一起以提供剛性連接點(diǎn)，在許多情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的加強(qiáng)筋應(yīng)該延伸到鑄件上以增加材料單位質(zhì)量的組合性能。加強(qiáng)筋和斷面的增加還可以使鑄件在加工過程中穩(wěn)定和減少廢料。

4.2 深裙式氣缸體

在曲軸中心線下部拓展發(fā)動(dòng)機(jī)缸體會(huì)增加與變速箱連接螺栓的跨度，較低的凸耳應(yīng)該盡可能與油底殼上表面一樣高，水平跨度應(yīng)該與飛輪殼的寬度一致。較低的凸耳應(yīng)該固定在油底殼連接螺栓中心線外側(cè)而且在缸體上以較好的角度張開。一個(gè)深裙式缸體油底殼的結(jié)構(gòu)變化對(duì)它本身的結(jié)構(gòu)剛度沒什么影響，但是可以通過較好的鑄造工藝來提高。

4.3 油底殼結(jié)構(gòu)

連接發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的螺栓跨度可以隨著油底殼的結(jié)構(gòu)改變而增加，這個(gè)改變就是在曲柄中心線下面提供一個(gè)夾緊力，然而這就要求油底殼與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的密封條密封作用相當(dāng)好。

4.4 氣缸體后部

用最大可能的螺栓模式和加強(qiáng)筋可以在缸體中的螺栓孔提供一個(gè)統(tǒng)一的壓力場(chǎng)，為了加強(qiáng)變速箱連接螺栓的安裝這種加強(qiáng)筋一定不可去掉，而且連接螺栓應(yīng)該從變速箱一側(cè)安裝在缸體的后面，還應(yīng)該加厚法蘭盤以防止局部變形。

4.5 啟動(dòng)機(jī)

啟動(dòng)機(jī)應(yīng)該用螺栓安裝在曲柄中心線以上的缸體上，因?yàn)樵撎幍陌l(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較小，啟動(dòng)機(jī)應(yīng)該有支撐體支撐而且還應(yīng)該固定在缸體上，如果啟動(dòng)機(jī)必須懸空，那么就得有一個(gè)剛性支架將啟動(dòng)機(jī)的電刷尾端一起固定在缸體上，電機(jī)仍然該安裝在缸體上以提供對(duì)變速箱的安裝強(qiáng)度。

4.6 變矩器/離合器殼體

變矩器/離合器殼體必須和變速箱殼一起鑄造以防止其模態(tài)振型的不一致，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能設(shè)計(jì)成圓錐形。控制后輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)彎曲較合理的動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)短的、剛性的延展轉(zhuǎn)換器，一個(gè)匹配的萬向結(jié)，一個(gè)較輕的、剛性的傳動(dòng)軸。

結(jié)束語：機(jī)動(dòng)車噪聲對(duì)環(huán)境噪聲影響非常大。城市機(jī)動(dòng)車輛的劇增使其成為城市的主要噪聲源。2018年我國(guó)機(jī)動(dòng)車銷量達(dá)到2550萬臺(tái)，這將對(duì)我們的環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。因此，對(duì)汽車的振動(dòng)、噪聲進(jìn)行控制非常必要而且刻不容緩，汽車行業(yè)面臨的振動(dòng)和噪聲研究工作是繁重的，也是非常緊迫的。