哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司/曹顯華

引言

汽車發(fā)動機的振動與噪聲是衡量發(fā)動機品質(zhì)的重要因素之一。隨著顧客乘用體驗要求的不斷提高、競爭車型水平不斷提高、政府法規(guī)標準不斷提高，減小發(fā)動機振動與噪聲產(chǎn)生的需求也日益提高。

在顧客對車輛不滿意的所有問題中，大約有1/3是與振動和噪聲相關(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和噪聲問題。

一、振動與噪聲概述

1.1 振動與噪聲的定義

1.2 振動與噪聲的主觀評價

1.3 振動與噪聲的客觀評價

二、評價發(fā)動機振動與噪聲的工況

2.1 穩(wěn)定工況

2.2 交變工況

三、影響發(fā)動機振動與噪聲的因素

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)電機運轉(zhuǎn)

3.5 進氣系統(tǒng)

3.6 排氣系統(tǒng)

3.7 機械噪聲

3.8 燃燒噪聲

3.9 流動噪聲

3.10 輻射噪聲

四、減小發(fā)動機振動與噪聲的途徑

4.1 加強筋

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 啟動機

4.6 變矩器/離合器殼體

（一） 振動與噪聲概述

1.1 振動與噪聲的定義

振動是指一個狀態(tài)改變的過程，即物體的往復(fù)運動。在許多情況下，振動被認為是消極因素，例如振動會加劇構(gòu)件的疲勞和磨損，從而縮短機器和結(jié)構(gòu)物的使用壽命。然而振動也有它積極的一面，如振動篩選、振動研磨、振動拋光、振動消除內(nèi)應(yīng)力等。

噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音。從環(huán)境保護的角度看，凡是妨礙到人們正常休息、學(xué)習和工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產(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)則振動時發(fā)出的聲音。

1.2 振動與噪聲的主觀評價

振動與噪聲的評價受顧客主觀的影響比較大。不同的顧客對發(fā)動機的振動與噪聲的喜好不同，有的時候甚至截然相反。如有的顧客喜歡運動風格與激烈駕駛，希望發(fā)動機發(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)動機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，對振動與噪聲的感受與評價也不相同。

一般通過一定的評價標準（評價分值或等級）來對特定產(chǎn)品的振動與噪聲進行評價，通常需要適量的評價者和評價對象的樣本數(shù)量以達到平均值。主觀評價的人員通常分為若干小組，每個小組有4～5人對評價對象進行評價，經(jīng)過統(tǒng)計得出評價對象的評價值。

1.3 振動與噪聲的客觀評價

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

（二）評價發(fā)動機振動與噪聲的工況

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)動機啟動、發(fā)動機熄火。

（三）影響發(fā)動機振動與噪聲的因素

3.1 齒輪嚙合傳遞

齒輪噪聲是一種對來自齒輪組產(chǎn)生的傳動角度旋轉(zhuǎn)變化的響應(yīng)，這種噪聲是齒輪、軸承、軸和傳動系統(tǒng)機座相互作用的結(jié)果，這種激勵源來自齒輪嚙合時的嚙合處，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)到開時傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)，由于發(fā)動機存在擺動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會在扭矩反向時隨著傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)余量變化，當擺動加強時，一個扭轉(zhuǎn)脈沖就會通過驅(qū)動輪和懸架傳到車身。

發(fā)動機扭矩增加越快，響應(yīng)就越嚴重，對于給定的節(jié)氣門開度，最后的發(fā)動機扭矩增加是由進氣歧管的容積限制的，它們成指數(shù)關(guān)系，如果瞬時空燃混合物保持均勻，那么進氣歧管的容積越大，發(fā)動機的扭矩增加就越慢。

圖1

圖2

3.3 離合器分離/結(jié)合

這種振動一般發(fā)生在加速踏板下壓時，如果高擋位30～40km/h時最為嚴重。在帶有自鎖變矩器傳動軸的車輛上，開式變矩器可以讓發(fā)動機的轉(zhuǎn)速升到超過這個抖動范圍，從而過濾發(fā)動機的扭矩脈沖，通常前輪驅(qū)動的車比后輪驅(qū)動的車更加嚴重。

3.4 發(fā)電機運轉(zhuǎn)噪聲

發(fā)電機因為自身轉(zhuǎn)速很高，因此也是一種很大的振動噪聲根源。如果傳動比大約為3.3，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速靠近6000r/min時，最大的發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以達到20000r/min。在如此高速下，來自冷卻風扇的噪聲和一些不平衡力就會更加嚴重，從NVH的觀點來看，降低發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和增加安裝支架的剛度可以有效地降低激勵源，既然發(fā)電機的冷卻需求作為決定傳動比的考慮因素，發(fā)電機的位置和發(fā)動機艙內(nèi)的空氣流就應(yīng)該首先考慮。

3.5 進氣系統(tǒng)

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

3.5.1 一般來說，消音容積越大越好，對四缸發(fā)動機來說，通常消音元件的容積要求達到10到15L。

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

3.5.3 一般采用下述兩種方法減小進氣口噪聲：進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。單個赫爾姆茲消音器只能消除一個頻率及其附近頻帶的噪聲，兩個串聯(lián)的赫爾姆茲消音器可以消除兩個頻率的噪聲。

3.5.4 進氣系統(tǒng)的影響。在進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)動機的振動基本上被隔掉，傳遞到車體上的振動非常??；托板與車體之間用橡膠墊隔開，這樣車體的振動和進氣系統(tǒng)的振動彼此隔開。

圖3

3.6 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在下述四個方面?？諝鈩恿υ肼?、沖擊噪聲、 輻射噪聲、尾管噪聲。

3.6.1 空氣動力噪聲?？諝鈿饬魇欠€(wěn)定的，空氣動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，空氣動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)定的氣流會對管道產(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)動機出來的氣流會對它產(chǎn)生強烈的沖擊，從而發(fā)出“砰砰”的沖擊噪聲。在管道截面積突然變化的時候，也會產(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)振動的頻率是一致的。解決輻射噪聲的途徑有兩個：減少激勵、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噪聲。聲音是以平面波在管道中傳播，當?shù)竭_尾管時，氣流就產(chǎn)生脈動噪聲，就好像在尾管處有一個活塞在運動。

3.7 機械噪聲

機械噪聲主要包括：活塞裙部與頭部對氣缸壁的敲擊噪聲、氣門對氣門座圈的敲擊噪聲、噴油器針閥對座體的敲擊噪聲、正時鏈條與鏈輪的摩擦噪聲、輪系與皮帶的摩擦噪聲、壓縮機運轉(zhuǎn)噪聲、機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)振動和彎曲振動噪聲、發(fā)動機總成自身頻率振動、發(fā)動機懸置安裝點的振動、曲軸的扭矩波動、啟動機電機運轉(zhuǎn)噪聲。

3.8 燃燒噪聲

燃燒噪聲主要是氣體燃燒時氣缸中變化的壓力波不斷沖擊燃燒室壁，使其產(chǎn)生振動并使機體向外輻射的噪聲。因為氣缸剛度大，自振頻率高，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)動機的轉(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)動機機體向外輻射。

3.9 流動噪聲

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

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、進氣歧管輻射噪聲、排氣歧管輻射噪聲。

（四） 減小發(fā)動機振動與噪聲的途徑

4.1 加強筋

對動力總成結(jié)構(gòu)，加強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。保持兩個螺栓連接面的連續(xù)性的最大連續(xù)加強筋長度應(yīng)該用到，加強筋應(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)動機加強筋應(yīng)該和附件匹配的凸臺混合在一起以提供剛性連接點，在許多情況下，發(fā)動機的加強筋應(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)動機缸體會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。一個深裙式缸體油底殼的結(jié)構(gòu)變化對它本身的結(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)動機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，這個改變就是在曲柄中心線下面提供一個夾緊力，然而這就要求油底殼與發(fā)動機之間的密封條密封作用相當好。

4.4 氣缸體后部

用最大可能的螺栓模式和加強筋可以在缸體中的螺栓孔提供一個統(tǒng)一的壓力場，為了加強變速箱連接螺栓的安裝這種加強筋一定不可去掉，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 啟動機

啟動機應(yīng)該用螺栓安裝在曲柄中心線以上的缸體上，因為該處的發(fā)動機和變速箱的相對運動較小，啟動機應(yīng)該有支撐體支撐而且還應(yīng)該固定在缸體上，如果啟動機必須懸空，那么就得有一個剛性支架將啟動機的電刷尾端一起固定在缸體上，電機仍然該安裝在缸體上以提供對變速箱的安裝強度。

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)計時應(yīng)該盡可能設(shè)計成圓錐形。控制后輪驅(qū)動發(fā)動機彎曲較合理的動力轉(zhuǎn)動系統(tǒng)包括一個短的、剛性的延展轉(zhuǎn)換器，一個匹配的萬向結(jié)，一個較輕的、剛性的傳動軸。

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