汽車發動機噪聲及控制的分析研究

摘要：汽車乘坐的舒適性已成為考量汽車性能的一個重要指標，發動機噪聲是汽車噪聲的主要來源，本文重點介紹、分析了發動機噪聲類型及各種形成機理，并在此基礎上針對不同的噪聲提出了相對的噪聲控制或降低噪聲的方法，并對此進行了簡單的分析研究。

關鍵詞：發動機；噪聲機理分析；降噪控制

目前，汽車已經成為人們生活和工作中最重要的代步交通工具，而且隨著生活水平的提高，人們對汽車的要求是越來越高，現在已不僅僅局限于代步而已，更多的是偏向于乘坐的舒適性。發動機的振動噪聲是評價汽車舒適性性能的重要指標之一。同時，據國外有關資料表明，城市交通噪聲70%來源于汽車，而我國汽車噪聲的55%來源于發動機，因此，對發動機噪聲的分析研究與控制具有重要的意義。發動機的機械噪聲源于發動機零部件的振動，而主要零部件的振動都直接或間接與曲軸的振動有關。我們一般將發動機噪聲分為三種類型：燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力學噪聲。

1 振動噪聲產生的機理分析

汽車發動機的噪聲產生的原因是多方面的、復雜的，他不僅跟發動機各組成結構有關，還跟各機械結構之間的相對運動、運動速度有關，而且有時還跟發動機在汽車前擎位置上的安裝情況、位置有關。對汽車發動機噪聲的研究也由來已久，無論是相關科研院所，還是汽車制造企業都在噪聲分析與降噪方面做了大量的并且卓有成效的研究工作。發動機振動噪聲研究從1957年開始出現相關研究文獻，2010年達到最熱，至今共有496篇相關論文。以下主要從三方面對噪聲的產生作簡要的分析。

1.1 燃燒噪聲

燃燒噪聲顧名思義就是在混合氣體在發動機汽缸體內燃燒時，內能轉化為機械能的過程中產生的振動，它是一種高頻段占比重的噪聲，主要方式是混合氣體燃燒形成的壓力振動并通過缸蓋和活塞→連桿→曲軸→機體的途徑向外輻射、傳遞。燃燒噪聲的高低取決于汽車發動機內混合氣體燃燒的方式及其速度大小。

四沖程發動機的工作循環由進氣、壓縮、燃燒和排氣四個行程，燃燒噪聲主要發生在從點火開始到燃燒結束的這段時間內，壓力中高頻分量的主要來源是缸筒內混合氣體的燃燒沖擊與燃燒壓力振蕩。同時，在燃燒室內發生的急速的、高溫、高壓的燃燒也必將引起發動機有關結構的不穩。這些因素共同構成了發動機的燃燒噪聲。

1.2 機械噪聲

機械噪聲主要是發動機機體及其組成機械結構之間的相互運動、碰撞而造成的，主要的元素包括活塞敲擊缸套，曲軸運動，配氣機構運動，皮帶輪、正時齒輪等運轉造成的噪聲，噴油嘴噴油噪聲等，機械噪聲具有周期性，不可消失性等特點，他的大小跟發動機的機械結構的動態特性等因素有關。

1.2.1 活塞噪聲

發動機結構中主要有活塞跟曲軸兩大運動構件，其中動力的來源是活塞的往復運動，活塞在上下往復運動時，由于其與缸筒有一定的間隙，這樣就會對缸筒壁產生一定的沖擊力、敲擊，并產生了振動，這個振動噪聲通常是發動機最大的機械噪聲來源。

活塞對起港通壁的沖擊，主要是由于活塞跟缸壁之間的間隙噪聲的，同時為了密封，在活塞上面又安裝了兩道氣環和一道油環，這樣就噪聲活塞與缸壁之間的接觸不是一個整體的面接觸，同時在曲柄連桿機構運動過程中，連桿所受的力的方向不是垂直方向的，甚至側向力的方向在活塞從上止點到下止點與活塞從下止點到上止點上都是變化的。這樣就造成了變化的交變力。這個交變力跟氣體壓力、摩擦力、慣性力的大小與方向有關。

1.2.2 配氣機構噪聲分析

發動機配氣機構也是重要的機械噪聲來源。而且配氣機構的零件多、剛性差、相對運動頻繁，因此就易于激發振動和噪聲。在這些零件中主要包括：凸輪軸上搖臂與挺桿之間的往復“搖頭”敲擊運動，氣門開、關時的與氣缸蓋的碰撞聲，推桿跟挺桿之間的摩擦碰撞聲，凸輪和挺桿間的摩擦振動等。

在發動機運轉時時，由于速度較快，進、排氣的速率也比較快，因此，氣門的開、閉頻率就會比較高，同時發動機凸輪軸上的搖臂、推桿和挺桿的運動速度都比較大，因此這些機械機構的運動慣性就會很大，這樣在機構運動停止時就會產生比較大的沖擊，使整個機構產生振動。而且在振動過程中還有可能產生氣門開閉不正常、傳動鏈脫節、正時齒輪嚙合不穩、產生“飛脫”和“反彈”等不規則運動現象。

1.2.3 供油系噪聲分析

噴油系統也是柴油機噪聲的來主要來源之一，其主要是由噴油泵和高壓油管系統的振動引起的，主要是由周期性變化的柱塞上部的燃油壓力、高壓油管內的燃油壓力以及發動機往復運動慣性力激發泵體自身振動而引起的。該部分噪聲根據產生物體的不同可以分為機械噪聲和流體噪聲。

很明顯，機械噪聲就是供油系統機械運動機構之間的相對運動產生的沖擊及摩擦，主要有齒輪泵、高壓油泵、進油管路、回油管路、噴油泵凸輪、噴油嘴等結構，這些機械結構在重復運行的過程中會產生周期性的交變力沖擊。而流體噪聲主要是燃油在管路里流動過程中，由于震蕩和慣性的作用從而會產生脈動的波形沖擊力，激發振動噪聲，它沖擊管壁從而激發出大量振動噪聲。

1.3 空氣動力學噪聲分析

空氣動力學噪聲是按照噪聲輻射的方式來分，是直接向大氣輻射的噪聲源，主要有進、排氣噪聲和風扇噪聲。在這幾個中，排氣系統是主要的噪聲源。

排氣噪聲按產生的原因分為三種：排氣門在打開過程中產生的周期性排氣噪聲；在管路里由于氣體渦流而；排氣系統各組成構件之間以及其與尾氣之間產生的共鳴噪聲。

2 降低噪聲的方法分析

發動機噪聲作為汽車噪聲的主要來源，為了提高汽車的舒適性，必須適當地控制并降低噪聲。噪聲控制的方法主要有從機械原理出發的噪聲控制、從聲學原理出發的噪聲控制等。

2.1 從機械原理出發的噪聲控制措施

隨著材料科技的發展，各種新型材料應運而生，用一些內摩擦較大的合金高強度塑料生產機器零件：對于風扇可以選擇最佳葉片形狀降低噪聲；齒輪改用斜齒輪或螺旋齒輪，嚙合系數大，可降低噪聲3～16dB；改用皮帶傳動代替一般的齒輪傳動，由于皮帶能起到減震阻尼作用；選擇合適的傳動比也能降低噪聲。

同時也可以改進一些零部件的機械結構，提高零部件加工精度和裝配質量，使它們之間的相互摩擦盡量減小，可以將噪聲降低。再者也可以通過減小偏心振動和提高機殼的剛度等措施來減小噪聲。

2.2 從聲學原理出發的噪聲控制措施

目前噪聲控制措施主要有吸聲、隔聲、減震三種方法。吸聲是用特種材料來改變聲波的方向，使得噪聲產生后經過特殊材料作用后及吸收掉一部分，反射回來的能量大大降低，達到降噪的目的。

隔聲降噪方法是用某種隔聲材料將聲源與周圍環境隔離，使輻射的噪聲不能通過該材料，直接傳播到周圍區域，從而達到降噪目的。

減震降噪是由于目前汽車的外殼都是由金屬薄板制成，車身行使過程中，各種振動源產生的噪聲最終都傳到了車身上，而金屬薄片制成的車身以彈性波形傳播，同時引起車體上其他部件的振動。防止發動機、傳動系、懸架及輪胎的振動傳人車內；這些問題現在主要要通過加強地板、頂棚等大面積的鈑件的剛度，盡量少用大面積鈑金件的辦法來解決。

3 結語

汽車工業發展到今天，乘坐舒適性已成為衡量汽車性能的一個重要指標，因此，降低汽車噪聲研究必然是未來汽車科技的一個重要課題，汽車噪聲的治理應走全方位綜合治理之路。首先，需要政府完善噪聲法規，為治理汽車噪聲提供強有力的法律保證和持久的推動力；其次，從技術層面講，通過對噪聲產生機理（來源）和控制方法的分析研究，為汽車的降噪研究提供了理論依據也為未來的汽車發展指明了方向。總之，科技是治理汽車噪聲的根本途徑，各汽車廠商應遵循國家標準，利用一切科技手段，積極開展汽車消聲新技術研究，不斷促進汽車的低噪聲化。

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項目來源：武漢商學院2015年校級科研項目

項目名稱：基于Matlab的發動機振動噪聲測量系統設計研究（項目編號：2015KY010）

作者簡介：郭偉（1984），男，碩士，助教，研究方向：機械設計、機電控制等。