汽车发动机振动与噪声概述分析

哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司/曹显华

引言

汽车发动机的振动与噪声是衡量发动机品质的重要因素之一。随着顾客乘用体验要求的不断提高、竞争车型水平不断提高、政府法规标准不断提高，减小发动机振动与噪声产生的需求也日益提高。

在顾客对车辆不满意的所有问题中，大约有1/3是与振动和噪声相关；在售后服务的顾客投诉中，大约有1/5与振动和噪声相关；在车辆的开发过程中，大约有1/5的资源用于解决振动和噪声问题。

一、振动与噪声概述

1.1 振动与噪声的定义

1.2 振动与噪声的主观评价

1.3 振动与噪声的客观评价

二、评价发动机振动与噪声的工况

2.1 稳定工况

2.2 交变工况

三、影响发动机振动与噪声的因素

3.1 齿轮啮合传递

3.2 节气门打开/关闭

3.3 离合器分离/结合

3.4 发电机运转

3.5 进气系统

3.6 排气系统

3.7 机械噪声

3.8 燃烧噪声

3.9 流动噪声

3.10 辐射噪声

四、减小发动机振动与噪声的途径

4.1 加强筋

4.2 深裙式气缸体

4.3 油底壳结构

4.4 气缸体后部

4.5 启动机

4.6 变矩器/离合器壳体

（一） 振动与噪声概述

1.1 振动与噪声的定义

振动是指一个状态改变的过程，即物体的往复运动。在许多情况下，振动被认为是消极因素，例如振动会加剧构件的疲劳和磨损，从而缩短机器和结构物的使用寿命。然而振动也有它积极的一面，如振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动消除内应力等。

噪声是发声体做无规则振动时发出的声音。从环境保护的角度看，凡是妨碍到人们正常休息、学习和工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音，都属于噪声。从物理学的角度来看：噪声是发声体做无规则振动时发出的声音。

1.2 振动与噪声的主观评价

振动与噪声的评价受顾客主观的影响比较大。不同的顾客对发动机的振动与噪声的喜好不同，有的时候甚至截然相反。如有的顾客喜欢运动风格与激烈驾驶，希望发动机发出轰鸣有力的声音，有的顾客喜欢安静而舒适的感觉，希望发动机具有轻盈低微的工作声音。不同的顾客自身感官敏感度的不同，对同一声音具有不同的感受程度。甚至于同一顾客，在不同的身体条件、不同的心情环境下，对振动与噪声的感受与评价也不相同。

一般通过一定的评价标准（评价分值或等级）来对特定产品的振动与噪声进行评价，通常需要适量的评价者和评价对象的样本数量以达到平均值。主观评价的人员通常分为若干小组，每个小组有4～5人对评价对象进行评价，经过统计得出评价对象的评价值。

1.3 振动与噪声的客观评价

振动与噪声的客观评价主要包括：驾驶员和乘客耳朵的声音、地板或座椅轨道的振动、方向盘的振动、椅子和人体的振动。

（二）评价发动机振动与噪声的工况

2.1 稳定工况

稳定工况包括：怠速工况、巡航工况。

2.2 交变工况

交变工况包括：全加速、半加速、减速、倒车、急加油门、急减油门、发动机启动、发动机熄火。

（三）影响发动机振动与噪声的因素

3.1 齿轮啮合传递

齿轮噪声是一种对来自齿轮组产生的传动角度旋转变化的响应，这种噪声是齿轮、轴承、轴和传动系统机座相互作用的结果，这种激励源来自齿轮啮合时的啮合处，通过不同的连接传到车身。齿轮声通常表现为呜呜的叫声，发生在200～1800Hz这一范围内。

3.2 节气门打开/关闭

节气门由开到关或由关到开时传动系统扭转的瞬态响应，由于发动机存在摆动，发动机转速会在扭矩反向时随着传动系统的旋转余量变化，当摆动加强时，一个扭转脉冲就会通过驱动轮和悬架传到车身。

发动机扭矩增加越快，响应就越严重，对于给定的节气门开度，最后的发动机扭矩增加是由进气歧管的容积限制的，它们成指数关系，如果瞬时空燃混合物保持均匀，那么进气歧管的容积越大，发动机的扭矩增加就越慢。

图1

图2

3.3 离合器分离/结合

这种振动一般发生在加速踏板下压时，如果高挡位30～40km/h时最为严重。在带有自锁变矩器传动轴的车辆上，开式变矩器可以让发动机的转速升到超过这个抖动范围，从而过滤发动机的扭矩脉冲，通常前轮驱动的车比后轮驱动的车更加严重。

3.4 发电机运转噪声

发电机因为自身转速很高，因此也是一种很大的振动噪声根源。如果传动比大约为3.3，当发动机转速靠近6000r/min时，最大的发电机转速可以达到20000r/min。在如此高速下，来自冷却风扇的噪声和一些不平衡力就会更加严重，从NVH的观点来看，降低发电机的转速和增加安装支架的刚度可以有效地降低激励源，既然发电机的冷却需求作为决定传动比的考虑因素，发电机的位置和发动机舱内的空气流就应该首先考虑。

3.5 进气系统

进气系统通常通过下面四个方面产生影响。消音容积、进气口的位置、进气口噪声、壳体的辐射噪声。

3.5.1 一般来说，消音容积越大越好，对四缸发动机来说，通常消音元件的容积要求达到10到15L。

3.5.2 进气管口的位置选择要考虑四个因素：噪声源的角度，考虑避免水、雪、灰尘和杂质进入进气系统，气体在进气系统中运行通畅，进气口与节气门之间的空间。

3.5.3 一般采用下述两种方法减小进气口噪声：进气管延伸插入空气滤清器壳体或使用串联的赫尔姆兹消音器。单个赫尔姆兹消音器只能消除一个频率及其附近频带的噪声，两个串联的赫尔姆兹消音器可以消除两个频率的噪声。

3.5.4 进气系统的影响。在进气歧管与空气滤清器壳体之间增加柔性管。这种柔性管的刚度非常低，因此发动机的振动基本上被隔掉，传递到车体上的振动非常小；托板与车体之间用橡胶垫隔开，这样车体的振动和进气系统的振动彼此隔开。

图3

3.6 排气系统

排气系统的影响主要体现在下述四个方面。空气动力噪声、冲击噪声、 辐射噪声、尾管噪声。

3.6.1 空气动力噪声。空气气流是稳定的，空气动力噪声取决于排气管道的直径，排气系统的结构。低转速时，空气动力噪声是主要噪声来源。

3.6.2 冲击噪声。排气管道中不稳定的气流会对管道产生冲击，从而形成冲击噪声。比如，排气多支管弯曲段的弧度太小，发动机出来的气流会对它产生强烈的冲击，从而发出“砰砰”的冲击噪声。在管道截面积突然变化的时候，也会产生冲击噪声。

3.6.3 辐射噪声。辐射噪声的大小取决于这些板结构的几何尺寸、结构形状、刚度等。辐射噪声的频率与薄板结构振动的频率是一致的。解决辐射噪声的途径有两个：减少激励、改变结构的特征，如质量、刚度和阻尼。

3.6.4 尾管噪声。尾管的辐射噪声是一种脉动噪声。声音是以平面波在管道中传播，当到达尾管时，气流就产生脉动噪声，就好像在尾管处有一个活塞在运动。

3.7 机械噪声

机械噪声主要包括：活塞裙部与头部对气缸壁的敲击噪声、气门对气门座圈的敲击噪声、喷油器针阀对座体的敲击噪声、正时链条与链轮的摩擦噪声、轮系与皮带的摩擦噪声、压缩机运转噪声、机油泵齿轮的啮合噪声、平衡轴齿轮的啮合噪声、轴径与轴瓦/轴孔之间的撞击与摩擦噪声、曲柄的扭转振动和弯曲振动噪声、发动机总成自身频率振动、发动机悬置安装点的振动、曲轴的扭矩波动、启动机电机运转噪声。

3.8 燃烧噪声

燃烧噪声主要是气体燃烧时气缸中变化的压力波不断冲击燃烧室壁，使其产生振动并使机体向外辐射的噪声。因为气缸刚度大，自振频率高，因此燃烧噪声呈现高频特性。燃烧噪声气缸内压力呈周期变化，频率与发动机的转速有关。燃烧噪声大小与内部压力有关，压力越大，燃烧噪声越大。燃烧噪声是通过发动机机体向外辐射。

3.9 流动噪声

流动噪声主要包括：节气门气体节流噪声、冷却液循环流动噪声、机油循环流动噪声、排气气体流动噪声。

3.10 辐射噪声

辐射噪声主要包括：油底壳辐射噪声、气缸体/气缸盖辐射噪声、进气歧管辐射噪声、排气歧管辐射噪声。

（四） 减小发动机振动与噪声的途径

4.1 加强筋

对动力总成结构，加强筋是获得高硬度值的一种方法，而且还可以减少重量和成本。保持两个螺栓连接面的连续性的最大连续加强筋长度应该用到，加强筋应该沿着模态变形最大值区域和弯曲模态振型全息成像下边沿正确的角度布置。发动机加强筋应该和附件匹配的凸台混合在一起以提供刚性连接点，在许多情况下，发动机的加强筋应该延伸到铸件上以增加材料单位质量的组合性能。加强筋和断面的增加还可以使铸件在加工过程中稳定和减少废料。

4.2 深裙式气缸体

在曲轴中心线下部拓展发动机缸体会增加与变速箱连接螺栓的跨度，较低的凸耳应该尽可能与油底壳上表面一样高，水平跨度应该与飞轮壳的宽度一致。较低的凸耳应该固定在油底壳连接螺栓中心线外侧而且在缸体上以较好的角度张开。一个深裙式缸体油底壳的结构变化对它本身的结构刚度没什么影响，但是可以通过较好的铸造工艺来提高。

4.3 油底壳结构

连接发动机和变速箱的螺栓跨度可以随着油底壳的结构改变而增加，这个改变就是在曲柄中心线下面提供一个夹紧力，然而这就要求油底壳与发动机之间的密封条密封作用相当好。

4.4 气缸体后部

用最大可能的螺栓模式和加强筋可以在缸体中的螺栓孔提供一个统一的压力场，为了加强变速箱连接螺栓的安装这种加强筋一定不可去掉，而且连接螺栓应该从变速箱一侧安装在缸体的后面，还应该加厚法兰盘以防止局部变形。

4.5 启动机

启动机应该用螺栓安装在曲柄中心线以上的缸体上，因为该处的发动机和变速箱的相对运动较小，启动机应该有支撑体支撑而且还应该固定在缸体上，如果启动机必须悬空，那么就得有一个刚性支架将启动机的电刷尾端一起固定在缸体上，电机仍然该安装在缸体上以提供对变速箱的安装强度。

4.6 变矩器/离合器壳体

变矩器/离合器壳体必须和变速箱壳一起铸造以防止其模态振型的不一致，设计时应该尽可能设计成圆锥形。控制后轮驱动发动机弯曲较合理的动力转动系统包括一个短的、刚性的延展转换器，一个匹配的万向结，一个较轻的、刚性的传动轴。

结束语：机动车噪声对环境噪声影响非常大。城市机动车辆的剧增使其成为城市的主要噪声源。2018年我国机动车销量达到2550万台，这将对我们的环境产生极大的影响。因此，对汽车的振动、噪声进行控制非常必要而且刻不容缓，汽车行业面临的振动和噪声研究工作是繁重的，也是非常紧迫的。