汽車發動機振動與噪聲概述分析

哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司/曹顯華

引言

汽車發動機的振動與噪聲是衡量發動機品質的重要因素之一。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、政府法規標準不斷提高，減小發動機振動與噪聲產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；在售后服務的顧客投訴中，大約有1/5與振動和噪聲相關；在車輛的開發過程中，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、評價發動機振動與噪聲的工況

2.1 穩定工況

2.2 交變工況

三、影響發動機振動與噪聲的因素

3.1 齒輪嚙合傳遞

3.2 節氣門打開/關閉

3.3 離合器分離/結合

3.4 發電機運轉

3.5 進氣系統

3.6 排氣系統

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 油底殼結構

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

振動是指一個狀態改變的過程，即物體的往復運動。在許多情況下，振動被認為是消極因素，例如振動會加劇構件的疲勞和磨損，從而縮短機器和結構物的使用壽命。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、振動消除內應力等。

噪聲是發聲體做無規則振動時發出的聲音。從環境保護的角度看，凡是妨礙到人們正常休息、學習和工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產生干擾的聲音，都屬于噪聲。從物理學的角度來看：噪聲是發聲體做無規則振動時發出的聲音。

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，希望發動機發出轟鳴有力的聲音，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，經過統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）評價發動機振動與噪聲的工況

2.1 穩定工況

穩定工況包括：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、發動機啟動、發動機熄火。

（三）影響發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生的傳動角度旋轉變化的響應，這種噪聲是齒輪、軸承、軸和傳動系統機座相互作用的結果，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。齒輪聲通常表現為嗚嗚的叫聲，發生在200～1800Hz這一范圍內。

3.2 節氣門打開/關閉

節氣門由開到關或由關到開時傳動系統扭轉的瞬態響應，由于發動機存在擺動，發動機轉速會在扭矩反向時隨著傳動系統的旋轉余量變化，當擺動加強時，一個扭轉脈沖就會通過驅動輪和懸架傳到車身。

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

圖1

圖2

3.3 離合器分離/結合

這種振動一般發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動機的轉速升到超過這個抖動范圍，從而過濾發動機的扭矩脈沖，通常前輪驅動的車比后輪驅動的車更加嚴重。

3.4 發電機運轉噪聲

發電機因為自身轉速很高，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，當發動機轉速靠近6000r/min時，最大的發電機轉速可以達到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，降低發電機的轉速和增加安裝支架的剛度可以有效地降低激勵源，既然發電機的冷卻需求作為決定傳動比的考慮因素，發電機的位置和發動機艙內的空氣流就應該首先考慮。

3.5 進氣系統

進氣系統通常通過下面四個方面產生影響。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、灰塵和雜質進入進氣系統，氣體在進氣系統中運行通暢，進氣口與節氣門之間的空間。

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，因此發動機的振動基本上被隔掉，傳遞到車體上的振動非常小；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的振動彼此隔開。

圖3

3.6 排氣系統

排氣系統的影響主要體現在下述四個方面。空氣動力噪聲、沖擊噪聲、 輻射噪聲、尾管噪聲。

3.6.1 空氣動力噪聲。空氣氣流是穩定的，空氣動力噪聲取決于排氣管道的直徑，排氣系統的結構。低轉速時，空氣動力噪聲是主要噪聲來源。

3.6.2 沖擊噪聲。排氣管道中不穩定的氣流會對管道產生沖擊，從而形成沖擊噪聲。比如，排氣多支管彎曲段的弧度太小，發動機出來的氣流會對它產生強烈的沖擊，從而發出“砰砰”的沖擊噪聲。在管道截面積突然變化的時候，也會產生沖擊噪聲。

3.6.3 輻射噪聲。輻射噪聲的大小取決于這些板結構的幾何尺寸、結構形狀、剛度等。輻射噪聲的頻率與薄板結構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、改變結構的特征，如質量、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，當到達尾管時，氣流就產生脈動噪聲，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、曲柄的扭轉振動和彎曲振動噪聲、發動機總成自身頻率振動、發動機懸置安裝點的振動、曲軸的扭矩波動、啟動機電機運轉噪聲。

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，因此燃燒噪聲呈現高頻特性。燃燒噪聲氣缸內壓力呈周期變化，頻率與發動機的轉速有關。燃燒噪聲大小與內部壓力有關，壓力越大，燃燒噪聲越大。燃燒噪聲是通過發動機機體向外輻射。

3.9 流動噪聲

流動噪聲主要包括：節氣門氣體節流噪聲、冷卻液循環流動噪聲、機油循環流動噪聲、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） 減小發動機振動與噪聲的途徑

4.1 加強筋

對動力總成結構，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性的最大連續加強筋長度應該用到，加強筋應該沿著模態變形最大值區域和彎曲模態振型全息成像下邊沿正確的角度布置。發動機加強筋應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，發動機的加強筋應該延伸到鑄件上以增加材料單位質量的組合性能。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動機缸體會增加與變速箱連接螺栓的跨度，較低的凸耳應該盡可能與油底殼上表面一樣高，水平跨度應該與飛輪殼的寬度一致。較低的凸耳應該固定在油底殼連接螺栓中心線外側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構變化對它本身的結構剛度沒什么影響，但是可以通過較好的鑄造工藝來提高。

4.3 油底殼結構

連接發動機和變速箱的螺栓跨度可以隨著油底殼的結構改變而增加，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，而且連接螺栓應該從變速箱一側安裝在缸體的后面，還應該加厚法蘭盤以防止局部變形。

4.5 啟動機

啟動機應該用螺栓安裝在曲柄中心線以上的缸體上，因為該處的發動機和變速箱的相對運動較小，啟動機應該有支撐體支撐而且還應該固定在缸體上，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振型的不一致，設計時應該盡可能設計成圓錐形。控制后輪驅動發動機彎曲較合理的動力轉動系統包括一個短的、剛性的延展轉換器，一個匹配的萬向結，一個較輕的、剛性的傳動軸。

結束語：機動車噪聲對環境噪聲影響非常大。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，這將對我們的環境產生極大的影響。因此，對汽車的振動、噪聲進行控制非常必要而且刻不容緩，汽車行業面臨的振動和噪聲研究工作是繁重的，也是非常緊迫的。