發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲成因與解決方法研究

梁建國(guó)

摘要：在汽車(chē)駕駛和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、燃料燃燒程度等因素，容易在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)、帶來(lái)噪聲，不僅會(huì)給駕駛者帶來(lái)不佳的體驗(yàn)，更會(huì)影響總體汽車(chē)的穩(wěn)定性、安全性。因此，解決上述問(wèn)題、制定有效的解決方案十分有必要。本文從技術(shù)角度出發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象、噪聲問(wèn)題的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決辦法，以更好地解決這方面的技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);振動(dòng);噪聲;成因;解決方法

中圖分類(lèi)號(hào)：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0123-02

0? 引言

從廣義角度看，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是借助汽油這一燃料介質(zhì)，在汽車(chē)行駛中將燃料的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽車(chē)的動(dòng)能。鑒于汽油燃料本身的粘性小、蒸發(fā)快等特點(diǎn)，選用這一燃料能通過(guò)汽油噴射技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)入氣缸內(nèi)部，然后經(jīng)過(guò)處理使其處于一定的溫度和壓力水平，再通過(guò)火花塞技術(shù)組件點(diǎn)燃，這就使氣體能夠進(jìn)行膨脹做工。在汽車(chē)上搭載汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，主要原因是其具有相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)結(jié)構(gòu)，且造價(jià)成本相對(duì)較低、實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、維修操作便捷。目前，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到多種現(xiàn)代設(shè)備中，如何妥善處理發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中存在的振動(dòng)、噪聲問(wèn)題已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文正是圍繞這一點(diǎn)，進(jìn)行具體成因的探討和分析，并提出有效的解決方法。

1? 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備振動(dòng)現(xiàn)象與噪聲現(xiàn)象簡(jiǎn)述

1.1 振動(dòng)現(xiàn)象與噪聲現(xiàn)象的概念

從振動(dòng)現(xiàn)象來(lái)講，是在技術(shù)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)過(guò)程，也可以看作物體往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通常，人們將振動(dòng)現(xiàn)象判定為消極的技術(shù)因素，主要是由于其會(huì)給機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的組件帶來(lái)更大的磨損、疲勞，從而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備可用壽命縮短。但是，振動(dòng)也有一定的應(yīng)用價(jià)值，如振動(dòng)研磨加工技術(shù)、振動(dòng)消除內(nèi)應(yīng)力技術(shù)、振動(dòng)篩選加工技術(shù)等。對(duì)于噪聲而言，物理學(xué)中將其定義為物體在無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的聲音，這些聲音往往會(huì)給人們生活、學(xué)習(xí)、生產(chǎn)和工作帶來(lái)不良影響，甚至?xí)谌藗兘邮罩匾曇艋蛐畔r(shí)帶來(lái)干擾。

1.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象與噪聲現(xiàn)象的主觀評(píng)價(jià)

對(duì)于汽車(chē)駕駛者、使用者而言，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲與使用者的主觀認(rèn)知具有一定相關(guān)性。不同駕駛者在使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，往往會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲具有不同的喜好程度。例如，部分汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用者更傾向于運(yùn)動(dòng)型交通工具，追求較為激烈的駕駛行為，這些使用者期望發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大轟鳴聲。同時(shí)，也有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用者更傾向于安靜的駕駛環(huán)境，這部分使用者則希望發(fā)動(dòng)機(jī)能在駕駛中產(chǎn)生較小的聲音。

1.3 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象與噪聲現(xiàn)象的客觀評(píng)價(jià)

在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行客觀分析、評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重以下幾方面：汽車(chē)行駛中底板傳來(lái)的聲音、車(chē)椅給人體帶來(lái)的振動(dòng)、汽車(chē)方向盤(pán)給駕駛?cè)藥?lái)的振動(dòng)、能夠傳遞給乘客或駕駛?cè)说穆曇?、座椅軌道部件振?dòng)等。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲現(xiàn)象的因素分析

2.1 齒輪進(jìn)行嚙合傳遞因素

在齒輪組件在運(yùn)行中出現(xiàn)的噪聲，主要是體現(xiàn)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備內(nèi)，在齒輪的傳動(dòng)角度出現(xiàn)變化時(shí)出現(xiàn)的技術(shù)響應(yīng)。在運(yùn)行中，噪聲的產(chǎn)生是軸承組件、齒輪組件、傳統(tǒng)系統(tǒng)機(jī)座組件等部分的共同作用，激勵(lì)源產(chǎn)生于齒輪的相互嚙合處，再經(jīng)過(guò)多種連接技術(shù)形式傳遞給車(chē)體結(jié)構(gòu)。在齒輪組件嚙合中出現(xiàn)的噪聲大多呈現(xiàn)為“嗚嗚”聲，其主要頻率在200-1800Hz。

2.2 節(jié)氣門(mén)進(jìn)行打開(kāi)/關(guān)閉操作因素

節(jié)氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備內(nèi)部的重要組件，不論是執(zhí)行打開(kāi)還是關(guān)閉操作，都會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)入瞬態(tài)響應(yīng)階段，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)擺動(dòng)情況時(shí)，處于扭轉(zhuǎn)反向狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)速度也會(huì)出現(xiàn)變化，在變化中也會(huì)受到傳動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)余量的影響。在出現(xiàn)擺動(dòng)幅度不斷增強(qiáng)的情況時(shí)，扭轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)將借助驅(qū)動(dòng)輪組件、懸架組件等部分傳遞到整個(gè)車(chē)體，這就引起了振動(dòng)、噪聲情況的發(fā)生。在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行中，若出現(xiàn)扭矩速度不斷增加的情況，實(shí)際引起的瞬態(tài)響應(yīng)也會(huì)表現(xiàn)得更加劇烈。在進(jìn)行節(jié)氣門(mén)打度時(shí)，主要是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的通矩增加幅度，這一參數(shù)需要進(jìn)氣歧管組件的容積進(jìn)行限制。不難發(fā)現(xiàn)的是，這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)間存在一定的指數(shù)關(guān)系。當(dāng)瞬時(shí)空燃混合物能夠穩(wěn)定在均勻技術(shù)條件時(shí)，進(jìn)氣歧管組件的容積也會(huì)具有較大的容積參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備扭矩增加的速度也會(huì)變緩。

2.3 離合器分離/結(jié)合因素

在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備中，導(dǎo)致振動(dòng)和噪音現(xiàn)象的原因也產(chǎn)生于離合器組件。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備處于高檔位運(yùn)行狀態(tài)，且汽車(chē)行駛速度范圍在30-40km/h時(shí)，振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象的產(chǎn)生往往表現(xiàn)十分劇烈。目前，諸多車(chē)輛在安裝中帶有自鎖變矩器傳動(dòng)軸，在變矩器組件處于開(kāi)放狀態(tài)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速參數(shù)往往會(huì)開(kāi)始逐步遞增，甚至?xí)黾榷ǘ秳?dòng)限制范圍，這就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩脈沖處于被過(guò)濾狀態(tài)。在這樣的工作狀態(tài)下，相比于汽車(chē)的后輪驅(qū)動(dòng)，汽車(chē)前輪驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象、帶來(lái)噪聲問(wèn)題等情況較為嚴(yán)重。

2.4 發(fā)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲因素

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要發(fā)電機(jī)維持較高的轉(zhuǎn)速水平。從這一層面看，發(fā)電機(jī)也是引起發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象的主要部件。通常發(fā)電機(jī)比參數(shù)大概設(shè)定為3.3，也就能使其轉(zhuǎn)速在6000r/min左右浮動(dòng)。但是，若發(fā)電機(jī)組件部分進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，隨之導(dǎo)致冷風(fēng)扇部分組件、不平衡力帶來(lái)的噪聲更加嚴(yán)重。從NVH的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行控制，在將其降低的同時(shí)，保證汽車(chē)車(chē)體支架安裝結(jié)構(gòu)的剛度，這樣就能實(shí)現(xiàn)激勵(lì)源的控制和降低。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，傳動(dòng)比水平主要取決于發(fā)電機(jī)組件的冷卻需求，這就必須將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流因素、發(fā)電機(jī)技術(shù)組件的安裝位置等因素置于優(yōu)先考慮范圍。

2.5 進(jìn)氣系統(tǒng)因素

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備中進(jìn)氣系統(tǒng)也是影響振動(dòng)和噪聲問(wèn)題的重要部分，主要由以下幾方面：

①要想有效控制振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象，不可忽視的因素就是消音組件的容積。在通常發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，若消音技術(shù)組件的容積越大，就能夠提供更好的技術(shù)支持。在汽車(chē)的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備中，往往需要配備有10-15L的消音技術(shù)容積。

②在選取進(jìn)氣管組件的位置時(shí)，需要全面地分析和考量多種基礎(chǔ)影響因子。從噪聲源控制角度出發(fā)，位置設(shè)定需要考慮到多種雜質(zhì)或物質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，如灰塵、雪、水等，要保證氣體能夠在進(jìn)氣系統(tǒng)中流暢循環(huán)，控制好進(jìn)氣門(mén)與節(jié)氣門(mén)間的距離和空間。

③為了控制進(jìn)氣口位置的噪聲強(qiáng)度，可以采取以下兩種方法：其一，應(yīng)將進(jìn)氣管組件伸入到空氣濾清器組件內(nèi)部;其二，將赫爾姆茲消音器組件串聯(lián)使用。在實(shí)際發(fā)揮的控制效能上，只安裝單個(gè)赫爾姆茲消音組件，只能起到控制消除某個(gè)頻率以及附近頻段的噪聲，通過(guò)將兩個(gè)赫爾姆茲消音器組件進(jìn)行串聯(lián)，就能同時(shí)控制兩個(gè)頻率范圍的噪聲。

④增加柔性管是控制振動(dòng)現(xiàn)象的有效方法，需要將其加裝在空氣濾清器技術(shù)殼體結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣歧管組件之間。從基礎(chǔ)技術(shù)角度出發(fā)，柔性管本身不具備較強(qiáng)的剛度，這就能將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)情況隔離開(kāi)來(lái)，使得車(chē)體承受的振動(dòng)強(qiáng)度較小。同時(shí)，也可以在車(chē)體結(jié)構(gòu)與托板結(jié)構(gòu)間加裝橡膠墊，以更好地將進(jìn)行控制和處理，使進(jìn)氣系統(tǒng)與車(chē)體振動(dòng)的現(xiàn)象相互隔開(kāi)。

2.6 排氣系統(tǒng)因素

①空氣動(dòng)力帶來(lái)的噪音。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)的空氣流往往處于穩(wěn)定狀態(tài)條件下。受到排氣管道組件直徑、基本結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的空氣動(dòng)力會(huì)帶來(lái)噪聲。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行，且處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)時(shí)，伴隨而來(lái)的就是空氣動(dòng)力噪聲。

②沖擊帶來(lái)噪聲。除了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的穩(wěn)定空氣流，排氣管道內(nèi)也容易出現(xiàn)不穩(wěn)定氣流，這些分布的氣流會(huì)給管道組帶來(lái)較大的沖擊，從而產(chǎn)生沖擊噪聲現(xiàn)象。不難發(fā)現(xiàn)，排氣的多支管組件的彎曲部分存在弧度過(guò)小的情況，使得發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備帶來(lái)的氣流沖擊排氣管道，這時(shí)就產(chǎn)生了劇烈的沖擊噪聲。

3? 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備振動(dòng)現(xiàn)象與噪聲現(xiàn)象的有效解決方法

3.1 加強(qiáng)筋處理

從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的總成結(jié)構(gòu)出發(fā)，為了使其獲得較高硬度數(shù)值，應(yīng)采取加強(qiáng)筋處理的方案，較少發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備本身的重量，使其制造成本大大降低，從而更好地控制和削弱發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。在具體實(shí)施中，要通過(guò)使用兩個(gè)螺栓形成穩(wěn)定連續(xù)的連接面，確保加強(qiáng)筋材料長(zhǎng)度能夠支持最大連續(xù)。再者，在加強(qiáng)筋材料的布置上，要從空間區(qū)域和空間角度兩方面入手，分別考慮模態(tài)變形最大值的和維持彎曲模態(tài)振型全息成像下邊沿。其次，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的加強(qiáng)筋進(jìn)行處理時(shí)，要確保加強(qiáng)筋材料能夠與發(fā)動(dòng)機(jī)配件凸臺(tái)部分能夠順利混合，只有達(dá)成這一條件，才能為發(fā)動(dòng)機(jī)提供剛性連接點(diǎn)支持。此外，在諸多實(shí)際運(yùn)用的場(chǎng)景中，出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的加強(qiáng)筋，應(yīng)能夠與鑄件結(jié)構(gòu)相銜接，使得材料單位的組合技術(shù)性能得以發(fā)揮?；谶@一步驟，通過(guò)增加加強(qiáng)筋材料的運(yùn)用數(shù)目、增設(shè)斷面結(jié)構(gòu)層的數(shù)量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在鑄件加工中更加穩(wěn)定，更有利于減少和控制廢料的產(chǎn)生。

3.2 深裙式氣缸體

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體部分進(jìn)行拓展，能夠使變速箱中的連接螺栓與缸體本身的跨度得到增加，需要注意的一點(diǎn)是進(jìn)行拓展處理的位置在曲軸中心線的下部。在具體操作中，先從高度看，要將原本處于較低位置的凸耳組件提高到與油底殼結(jié)構(gòu)上表面相同的高度位置，再?gòu)乃娇缍瓤矗癸w輪殼結(jié)構(gòu)寬度與其水平跨度能夠和諧一致。在確定處凸耳組件的固定位置時(shí)，需要找準(zhǔn)油底殼結(jié)構(gòu)連接螺栓的中心線外側(cè)再加以固定，確保能夠在整個(gè)缸體結(jié)構(gòu)上以較好的角度展開(kāi)。對(duì)深裙式缸體的油底殼組件而言，其本身出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化并不會(huì)給剛度參數(shù)帶來(lái)影響，這時(shí)更需關(guān)注的是鑄造工藝和水平，通過(guò)優(yōu)化和提升生產(chǎn)水平，對(duì)各部分組件的安裝、調(diào)試進(jìn)行干預(yù)，能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備內(nèi)部更好地解振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象，也能達(dá)到良好的優(yōu)化效果。

3.3 油底殼結(jié)構(gòu)

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的油底殼的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化時(shí)，與變速箱組件、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備相連的螺栓跨度參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)增加，這一技術(shù)條件的變化能夠?yàn)榍行木€提供夾緊力支持。為了更好地優(yōu)化和解決噪聲、振動(dòng)現(xiàn)象，要重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備與油底殼間的密封條，確保兩者間的密封性。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前的城市中出現(xiàn)的汽車(chē)交通工具越來(lái)越多，伴隨而來(lái)的就是發(fā)動(dòng)機(jī)所帶來(lái)的振動(dòng)、噪聲情況，幫助更多人解決汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。為了更好地為駕駛者提供良好的用車(chē)體驗(yàn)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行，需要逐個(gè)查找、分析導(dǎo)致上述問(wèn)題的原因，通過(guò)科學(xué)而系統(tǒng)的分析，制定相對(duì)的干預(yù)和操作方案，為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮出最優(yōu)效果提供技術(shù)支持。

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