幾種汽車發(fā)動機(jī)噪聲控制措施

廖明輝 趙龍君 梁榮飛

摘要：發(fā)動機(jī)作為內(nèi)燃機(jī)汽車的核心，是汽車動力的主要來源，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生動力，傳輸至傳動軸系，最后帶動車輪前進(jìn)，因此發(fā)動機(jī)也成為了汽車主要的噪聲源。對發(fā)動機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出對應(yīng)的解決措施，對發(fā)動機(jī)噪聲控制的研究非常有幫助。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)噪聲;控制措施

1發(fā)動機(jī)噪聲來源

1.1燃燒噪聲

燃燒噪聲是在發(fā)動機(jī)汽缸中產(chǎn)生的，汽油與空氣混合后在缸內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的缸內(nèi)氣體壓力直接激振發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)共振，并通過外部和內(nèi)部傳播途徑傳到發(fā)動機(jī)表面，由發(fā)動機(jī)表面輻射形成輻射噪聲[1]。由此可以看出燃燒噪聲是氣缸內(nèi)氣體壓力的變化引起的，它包括由氣缸內(nèi)壓力急劇變化引起的動力載荷，以及由沖擊波引起氣體的高頻振動[2]。

1.2機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲是指氣體壓力和慣性力的作用下，運(yùn)動件之間以及運(yùn)動件與固定件之間周期性變化的機(jī)械運(yùn)動而產(chǎn)生的噪聲，它與激發(fā)力的大小、運(yùn)動件的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，主要有活塞敲擊噪聲、齒輪嚙合噪聲、供油系噪聲、配氣機(jī)構(gòu)噪聲、正時(shí)系統(tǒng)噪聲、輔助系統(tǒng)噪聲、不平衡慣性力引起的機(jī)體振動與噪聲和軸承噪聲等[3]。

1.3空氣動力噪聲

空氣動力噪聲是氣體流動（如周期性進(jìn)氣，排氣）或物體在空氣中運(yùn)動，既氣體的擾動、氣體與物體撞擊;或者由于空氣發(fā)生壓力突變形與膨脹而產(chǎn)生的[4]。

2發(fā)動機(jī)噪聲控制措施

2.1燃燒噪聲控制措施

氣體動力載荷引起的燃燒噪聲，它的強(qiáng)弱程度主要由最高壓力增長率持續(xù)的時(shí)間決定。燃燒噪聲的強(qiáng)弱不僅與氣缸內(nèi)壓力頻譜的變化有關(guān)，還與發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)衰減特性相關(guān)，由于振動產(chǎn)生噪音，而振動又與激勵(lì)力特性以及振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性相關(guān)，因此燃燒噪聲與發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)衰減息息相關(guān)。我們將發(fā)動機(jī)的氣缸壓力級與發(fā)動機(jī)的噪聲聲壓級之差統(tǒng)稱為衰減量，從衰減量的變化體現(xiàn)出發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上的固有特性，發(fā)動機(jī)的有關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)如發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及供油系統(tǒng)的調(diào)整等對它不會產(chǎn)生根本的影響。發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)衰減表征了結(jié)構(gòu)對激振力響應(yīng)特性，結(jié)構(gòu)衰減大，輻射噪聲就小[2]。通過對氣體缸內(nèi)壓力及壓力頻譜曲線特性圖（圖1）的分析，可以大致將缸內(nèi)壓力頻譜分為三段：

（1）低頻部分主要是由最大爆發(fā)壓力及壓力曲線的形狀積分決定，實(shí)際上這部分區(qū)域也能間接反映發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩對噪聲的影響。

（2）壓力頻譜曲線的中高頻成分是由壓力升高率dp/dj決定，其特點(diǎn)是氣缸內(nèi)壓力級以對數(shù)規(guī)律作線性遞減，壓力升高率dp/dj 越大，其直線部分的斜率就越平緩，反之就越陡。

（3）高頻成分是由燃燒室局部區(qū)域的氣體劇烈波動引起高頻振動導(dǎo)致，主要與壓力升高率的導(dǎo)數(shù)dp2 /dj2有關(guān)，其頻率成分與燃燒室空腔共振頻率直接相關(guān)。

發(fā)動機(jī)直接燃燒噪聲主要取決于缸內(nèi)壓力噪聲頻譜以及時(shí)域信號的一階及二階微分，這是由于發(fā)動機(jī)機(jī)體主要的零部件的共振頻率大多集中在800-4000Hz 范圍，對低頻衰減很大，但在共振頻率范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)衰減較小，因此壓力頻譜曲線的中高頻以及高頻成分在很大程度上決定了直接燃燒噪聲的貢獻(xiàn)量。為此可以提出以下幾點(diǎn)對燃燒噪聲控制有利措施（僅對汽油機(jī)）：

a.控制最高燃燒壓力，減小壓縮比。

b.控制壓力升高率。

C.改變點(diǎn)火提前角。

d.采用高辛烷值燃油。

e.減小壓縮循環(huán)波動率。

從發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面采取的措施有：

a.缸體主軸承座應(yīng)盡量加強(qiáng)，和裙部頻率應(yīng)不小于1500Hz。

b.增加主軸承座壁與曲軸箱側(cè)壁的加強(qiáng)筋，將主軸承壁固有頻率提高至1600Hz。

c.裙部加強(qiáng)板與其上加強(qiáng)筋使裙部固有頻率達(dá)到1600Hz。

d.加強(qiáng)軸承座壁與水套的連接，提高剛度。

e.采用帶框架式的缸體結(jié)構(gòu)

2.2機(jī)械噪聲控制措施

機(jī)械噪聲是隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加的，通過機(jī)體向外傳播。在發(fā)動機(jī)空氣動力性噪聲得到有效控制后，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械噪聲常常是主要噪聲源。

2.2.1活塞敲擊噪聲控制措施

由于活塞和缸套之間存在間隙，當(dāng)活塞側(cè)向力幅值大小或方向發(fā)生改變時(shí)，引起活 塞拍擊缸體，故采用負(fù)偏置有利于改善高速汽油機(jī)的活塞敲擊問題從而降低了活塞敲擊所產(chǎn)生的噪聲。

2.2.2配氣機(jī)構(gòu)噪聲控制措施

配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動附件之間產(chǎn)生的噪聲（圖2），其中氣門桿與搖臂/挺桿與搖臂的撞擊以及氣門落座沖擊所產(chǎn)生的噪聲由其突出;未采用液壓挺桿的配氣機(jī)構(gòu)中，考慮零部件熱膨脹留有氣門間隙，氣門開啟時(shí)，凸輪越過氣門間隙才能壓迫氣門桿運(yùn)動，由此產(chǎn)生撞擊，發(fā)出噪聲。在氣門彈簧力的作用下開啟和關(guān)閉，氣門往復(fù)運(yùn)動，氣門與氣門座圈撞擊產(chǎn)生噪聲。故控制配氣機(jī)構(gòu)的噪聲主要途徑是控制氣門的沖擊力?？刂茪忾T的沖擊力，主要有以下幾個(gè)方面：

a.控制氣門的質(zhì)量

b.合理控制氣門的運(yùn)動規(guī)律。

c.合理控制運(yùn)動副間隙

凸輪氣門間隙引起的敲擊噪聲與凸輪型線上升緩沖段參數(shù)有關(guān)，而氣門落座引起的敲擊噪聲與下降緩沖段參數(shù)有關(guān)。應(yīng)合理選擇緩沖段參數(shù)。選擇大一點(diǎn)的凸輪緩沖段升程和緩沖段包角及小一點(diǎn)的緩沖段加速度包角系數(shù)，對降低噪聲有利。

2.2.3正時(shí)系統(tǒng)噪聲控制措施

正時(shí)系統(tǒng)中的皮帶齒帶與齒帶輪嚙合，過程中產(chǎn)生的摩擦噪聲統(tǒng)稱為嚙合噪聲;嚙合噪聲的產(chǎn)生與皮帶的振動有關(guān)，皮帶的扭轉(zhuǎn)振動或者軸向向振動，可能會與橫向振動發(fā)生耦合，并加劇了橫向振動的力度，同時(shí)也增強(qiáng)了噪聲輻射;嚙合過程中橡膠部件與金屬構(gòu)造的帶輪相互摩擦也會產(chǎn)生一定的噪聲這也屬于嚙合噪聲。針對嚙合噪聲的特性，可以使用的降噪措施有：降低張力以降低撞擊速度;避開臨界跨距，和皮帶共振頻率錯(cuò)開;使用大的皮帶輪，減小多邊形效應(yīng);增加嚙合點(diǎn)處的阻尼。針對皮帶共振引起的噪聲，可以使用的降噪措施有：增加惰輪控制皮帶的振動;增加皮帶橫向剛度;控制皮帶和帶輪參數(shù)（如皮帶彈性模量帶輪偏心量等）。

2.3空氣動力噪聲控制措施

發(fā)動機(jī)在排氣過程中，由于氣體的不穩(wěn)定性以及氣體穿過排氣閥、氣道和管路等，便會產(chǎn)生空氣動力噪聲[4];故在控制發(fā)動機(jī)空氣動力噪聲方面主要是從控制排氣噪聲方面下手，通過對排氣噪聲的評率特性進(jìn)行分析，可以將排氣噪聲細(xì)分為基頻排氣噪聲、管道氣柱共振噪聲、廢氣噴注噪聲和摩擦紊流噪聲。降低排氣噪聲的措施主要是采用阻抗復(fù)合型消聲器，該類型消聲器對低中高頻的噪聲都能起到非常好的消聲效果，是目前最常用的一種消聲器。

3 總結(jié)與展望

通過對發(fā)動機(jī)噪聲產(chǎn)生原因的分析，并根據(jù)相關(guān)的噪聲特性提出了包括燃燒噪聲、機(jī)械噪聲及空氣動力噪聲三方面的解決措施，對汽車發(fā)動機(jī)噪聲控制的研究提供一些重要的參考。汽車噪聲已經(jīng)成為目前社會生活中主要的噪聲來源之一，汽車發(fā)動機(jī)噪聲的控制是一項(xiàng)艱巨而又復(fù)雜的工程，國內(nèi)對汽車發(fā)動機(jī)噪聲的研究起步相對較晚，與國外的車企還存在巨大的差距，因此希望國內(nèi)車企能夠與外國車企展開合作，汲取國外優(yōu)勢經(jīng)驗(yàn)，提升自身的研究與開發(fā)水平，同時(shí)還可以共同研究出更好更有效的解決發(fā)動機(jī)噪聲的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）范德齊耳（A.VanDerZiel）.噪聲的來源、特性和測量.北京：人民郵電出版社，1982.

[2]周滾麟，李樹珉.汽車噪聲原理、檢測與控制.北京：中國環(huán)節(jié)科學(xué)出版社，1992.10.

[3]張立軍，余卓平等.發(fā)動機(jī)振動引起的車內(nèi)噪聲控制研究.振動、測試與診斷，2001：i-I.

[4]張舒.汽車排氣噪聲的改進(jìn)研究，上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2009.3