汽车发动机噪声与振动故障的诊断与检测(一)

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◆文/山东 焦建刚
发动机热力过程的周期性及部分受力机件的往复运动构成为汽车的主要振动噪声源。

本文将简单介绍发动机的三种主要噪声：燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。

随着汽车进入家庭，消费者对汽车的品质要求逐渐上升，对乘坐的舒适性要求也日益提高，其中，发动机运行中产生的噪声也成了人们关注的焦点。

技术状况良好的发动机，运转中仅能听到均匀的排气声和轻微的噪声，这是正常响声。

如果发动机在运转中出现异常响声，即异响，表明有关部位出现了故障。

对于有异响的发动机，应根据故障现象，分析产生的原因，找出异响的部位，准确地将其诊断出来。

本文主要讲述发动机噪声及异响的几种表现形式，噪声及异响的影响因素和诊断条件，以及常见异响的诊断方法。

一、概述
人类的手、脚或身体感知振动(压力波动)，并通过耳朵感知
声音。

振动和声音怎样被感知到，因感知它们的人而不同。

即使
振动和噪声同时产生，有些人感知两者，有些人则仅感到振动或噪声，其余的人则什么也感觉不到。

这是因为振动和噪声与人的
敏感性有关(图1)。

噪声是空气的振动(压力波动)，并且振动和噪声都用波来描述。

它们用频率，每秒的波形数量来表示。

由于频率不同，波有时被感知为振动，而在其他情况下则是噪声。

仅仅振动；20～200Hz为振动和声音；200Hz～20kHz为仅仅是有声音；20Hz～20kHz为可听范围；超过20kHz为超声波(人耳听不到的高频声音)。

汽车噪声与振动是指汽车声音的响度与振动幅度超过正常的程度或汽车出现异响或异常振动。

汽车出现噪声与振动问题，经常会造成驾驶者及乘客的不舒服，同时也很可能是汽车故障的前兆。

大部分汽车的噪声与振动问题都对应于某一个转速或速度区段，从出现噪声与振动问题时的车速及发动机转速范围，我们大致可以判断这些噪声或振动问题可能出自何处。

当汽车零部件松脱、磨损或不平衡时所造成的噪声和振动问题出现在各种不同车速范围，如表1所示。

汽车的噪声与振动大都有一定的频率范围，由经验来判断或使用仪器来测量噪声或振动问题的频率，图2所示为常见汽车噪声的频率范围。

对于汽车噪声与振动问题的基本判断应按照图3所示进行。

图1 噪声与振动图2 常见汽车噪声的频率范围
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首先判断故障发生的大致范围，究竟是发动机、底盘，还是车身？根据故障发生的大体范围，再深入进行分析。

接下来将以汽车发动机系统噪声与振动故障为主进行分析。

图3 汽车噪声与振动问题的基本判断
1.发动机噪声
汽车噪声按位置进行分类，分为三大部分，如图4所示。

(1)发动机的噪声源
发动机运转时产生的噪声包括透过发动机表面振动向外辐射的表面辐射噪声和因气流流场变化引起的空气动力噪声两类，如图5所示。

表面辐射噪声包括燃烧噪声和机械噪声。

典型发动机噪声源示意图如图6所示。

燃烧噪声声强与压力升高率的平方成正比，噪声声压级与放热率的对数成正比，燃烧噪声还与滞燃期、转速负荷等有关。

机械噪声主要是活塞敲击、配气机构的摩擦、冲击、齿轮啮合、齿带啮合、皮带打滑、轴承
图4 汽车噪声按位置分类方法
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工作、正时系统、辅机系统、供油系统噪声等。

机械噪声正比于发动机转速，另外结构的共振也引起噪声辐射。

在发动机表面辐
射噪声中，主要是发动机机体表面和油底壳辐射，其次是缸盖、气门室盖等。

风扇噪声的主要影响因素是转速、叶片弦长、型线、夹角和叶片数。

进、排气噪声是由压力脉动、气流通过气门时的涡流、边界层气流扰动、排气口喷注引起的。

尾管的影响和消声器壁面振动辐射的噪声也是重要声源之一。

(2)发动机燃烧噪声
发动机的燃烧噪声是在汽缸中产生的。

当发动机的燃油向高压空气中喷射，汽油机火花塞点火后，汽缸中局部的可燃气体开始燃烧，压力温度急剧上升。

随后燃烧由已着火部分向其他区域传播蔓延，缸内温度压力继续升高，与此同时缸内的可燃气体继
续进行旋流运动。

汽缸中的压力波冲击燃烧室壁，使之产生固有频率的振动，汽缸内部件的刚性通常很大，其自振频率很高，这种振动及辐射噪声呈高频特性。

汽缸内压力在一个工作循环内呈周期变化，它激起汽缸内部件的低频振动，其频率与发动机转速有关，通过发动机机体向外辐射噪声。

这种混合气燃烧产生的缸内气体压力直接激振发动机结构，引起结构振动，并通过外部和内部传播途径传到发动机表面，由发动机表面辐射形成的空气声即燃烧噪声。

燃烧噪声和机械噪声很难严格区分。

为了研究方便，将由于汽缸内燃烧，将活塞对缸套的压力振动通过缸盖—活塞—连杆—曲轴—机体向外辐射的噪声叫做燃烧噪声；将活塞对缸套的撞击、正时齿轮、配气机构、喷油系统、辅机皮带、正时皮带等运动部件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声称为机械噪声。

直喷式柴油机燃烧噪声高于机械噪声，非直喷式柴油机机械噪声高于燃烧噪声，而低速运转时燃烧噪声都高于机械噪声。

汽油机燃烧柔和，零件受力也小，燃烧噪声和机械噪声都低于柴油机。

①发动机机械噪声产生机理及其特性
发动机的机械噪声是指在气体压力和惯性力的作用下，使
运动部件产生冲击和振动而激发的噪声，主要有活塞敲击噪声、齿轮啮合噪声、供油系统噪声、配气机构噪声、正时系统噪声、辅机系统噪声、不平衡惯性力引起的机体振动和噪声和轴承噪声等。

在发动机空气动力性噪声得到有效控制后，高速运转时的机械噪声常常是主要的噪声源。

一台发动机有几百对运动副，当发动机工作时，由于冲击、摩擦、旋转不均匀和不平衡力作用等原因，激起零部件的机械振动而产生噪声，特别是当激振力频率与机件的固有频率相一致时，会引起激烈的共振和噪声。

当发动机曲柄机构活塞往复运动经过上下止点时，横向作用力改变方向，使活塞与缸套的接触面由一侧转向另一侧而产生冲击，并造成缸套振动各运动副间均有一定的间隙，机件受力亦具有冲击性质等。

发动机的机械噪声随转速的提高而迅速增加。

随着发动机的高速、轻型化和噪声控制法规的不断强化，要进一步降低发动机噪声的主要困难将是降低机械噪声。

为了降低发动机运行中产生的抖动，部分发动机配备了平衡轴，其作用原理是平衡轴的转动方向与曲轴是相反的，这样就可以抵消一部分抖动了，如图7所示。

安装有平衡轴的发动机，在维修时，尤其要注意其安装位置标记，一旦出现安装不正确的问题，反而会加剧发动机的抖动，并随着产生异响。

由于平衡轴的结构及其安装步骤比较复杂，成本也较高，因此，在高端车辆上采用较多。

对于大部分车辆来说，在发动机前端的曲轴皮带轮上安装扭转减振器(图8)，也可以消减曲轴扭转振
动，衰减扭矩波动，减少整车的振动与噪声。

图5 发动机噪声的分类
图6 发动机噪声源示意图
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发动机在工作时，由于转动不均匀会产生曲轴的扭转振动，如图9所示。

扭转振动未经减振处理而直接传输到变速器上，变速器就会产生相应的共振振动。

为了降低发动机旋转的不均衡性而造成传动系的扭转振动，传统上在离合器中采用扭转减振器来达到减振目的。

但一方面，该扭转减振器无法将整个动力传递系统的固有频率降低到发动机
怠速以下，因此在整个发动机运行过程中仍然存在着共振现象；另一方面由于受到扭转减振器弹簧安装半径限制和传递扭矩需要，在实际设计中很难通过降低弹簧刚度来减少扭振，因此在发动机常用转速范围(1 000~2 000r/min)之间，难以通过降低减振弹簧刚度来得到更大的减振效果。

20世纪80年代末，出现的双质量飞轮对于汽车动力传动系的隔振和减振有很大的作用，如图10所示。

双质量飞轮的次级质量与变速器的分离和结合由一个不带减振器的刚性离合器盘来完成，由于离合器没有了减振器机构，质量明显减小。

减振器组装在双质量飞轮系统中，并能在盘中滑动，明显改善同步性并使换挡容易。

而双质量飞轮将质量一分为二，其中的第二质量(次级质量)能在不增加飞轮的惯性矩的前提下提高传动系的惯性矩，而使共振转速下降到怠速转速以下。

也就是说在任何情况下，出现共
振转速都在发动机运行的转速范围以外。

图10 双质量飞轮结构图
发动机停缸技术的发展导致更大的传动系统扭震激励，且又导致在较低的频率下更难克服的振幅增加，因此需要优化阻尼系
统以确保车辆的NVH行为没有不利影响。

舍弗勒研发了一套包括
一个双质量飞轮(DMF)以及使用附加的匹配发动机的振动激励顺序的离心摆式吸收器(CPA)组成的系统，如图11所示。

这套系统可以在发动机全速范围有效发挥吸收器效应。

离心摆式吸收器也用于充油液力变矩器，以支持阻尼系统对离合器锁止的减震隔离效果。

此外，采用DMF的长行程阻尼器原理，用于隔离前端附件驱动的振动，以减少皮带中的动态载荷。

图7 安装有平衡轴的发动机
图8 带有扭转减振器的皮带轮
图9 发动机曲轴的扭转振动图11 带离心摆式吸收器(CPA)的双质量飞轮
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其中，n为齿轮转速(r/min)，z为齿数。

当啮合频率与齿轮扭转振动固有频率形同时便会产生共振加大噪声。

⑥正时链与正时皮带传动噪声a.链传动噪声
由于耐磨及高强度特性，链传动常用于凸轮轴传动，特别是高性能发动机中。

如图12所示，链传动噪声的主要激振成分为啮合冲击和多边形效应引起的振动。

啮合频率取决于链轮的齿数及轴转速。

链传动最常见的噪声——哀鸣声取决于啮合冲击力和发动机部件与系统的响应特别是前端盖及凸轮轴盖。

多边形效应引起链节弦的升降而引起链条的横向振动、扭矩和速度的波动。

b.正时皮带传动噪声
在介绍皮带传动噪声之前，先简介皮带的振动。

如图13所示，皮带的振动可分为横向振动、轴向振动、扭转振动和侧向振动。

噪声主要由带的横向振动辐射引起，但皮带传动将会激发上面的各种振动，而轴向振动和扭转振动有可能会与横向振动耦合，并加剧横向振动和噪声辐射。

皮带的横向振动可用弦振动模拟，短皮带的振动可用梁振动模拟。

轴向振动和扭转振动则可用轴振动近似模拟。

(未完待续)
②活塞敲击噪声
当活塞在上下止点附近时，连杆的位置发生变化，活塞所受侧向力的方向也由一侧变向另一侧。

侧向力方向的周期变化，必然导致活塞从一侧移向另一侧的横向运动，造成对缸壁推力面的敲击。

这种二次运动是由于活塞承受力与力矩及活塞与汽缸之间存在间隙，从而引起活塞的横向运动及旋转运动，并引起活塞对汽缸的周期冲击。

当冲击量够大时，会引起发动机的噪声而称之为活塞敲击噪声。

影响活塞敲击噪声的主要因素包括活塞销孔的偏置、活塞裙部设计、活塞冷态配缸间隙和活塞刚度等。

③配气机构噪声
四冲程发动机一般采用气阀－凸轮式配气机构，它包括凸轮轴、可调高度挺柱或液压挺柱、挺杆、摇臂和气阅等。

发动机配气机构由于零件多、刚度差，容易激发起振动和噪声。

在配气机构中，凸轮和挺柱或挺杆之间的摩擦振动、气门的不规则、摇臂撞击气门杆尾部以及气门落座时的冲击均会产生噪声。

当代发动机，配气机构增加了VVT-i(可变配气相位)、VTEC(可变气门升程)等机构，其结构及工作原理均比以往复杂，组成的部件也大量增加，其噪声也呈现了新的特色。

配气机构噪声的传播可通过结构传播到发动机的表面而辐射或通过空气传播到配气机构盖板而辐射。

④供油系统噪声
供油系统是发动机的噪声源之一，它们的主要频率成分在几千赫兹以上的高频区域，其噪声主要是由于喷油泵和高压油管及喷油器振动所引起，可分为流体噪声和机械噪声。

流体噪声包括液压泵压力脉动激发的噪声、油路空穴噪声和喷油系统管道的共振噪声。

机械噪声包括喷油泵凸轮和滚轮体之间的周期性冲击和摩擦引起的噪声，特别是当恢复弹簧的固有频率与这种周期性的冲击频率接近时，会产生共振，使噪声加剧。

喷油泵的噪声主要是由周期性变化的柱塞上部的燃油压力、高压油管内的燃油压力和发动机的往复运动惯性力激发泵体本身振动而引起的，其噪声大小与转速、泵内燃油压力、供油量及泵的结构有关。

⑤齿轮传动噪声
发动机中很多部件采用齿轮传动，如正时齿轮、喷油泵齿轮以及动力传动装置等。

齿轮传动将会带来噪声。

柴油机的前端噪声主要来自正时齿轮噪声，为特殊频带高频噪声和宽频带冲击噪声，前端噪声往往高于其他侧端噪声2～4dB。

由于正时齿轮主要是传递运动，轮齿的受力较小而轮齿变形较小。

因此，正时齿轮噪声对齿轮的制造误差比较敏感，所以有时虽然比其他传动齿轮误差小，但也会产生较大的噪声。

改善正时齿轮噪声的主要原则是提高齿轮的柔性，降低啮合对制造误差的敏感度。

齿轮啮合及分离时会产生冲击力而发出周期性噪声。

齿轮在啮合及分离过程中，每秒所产生的周期性冲击的次数称为啮合频率f m ，其值为：。

图12 链传动噪声
(a)横向振动；(b)轴向振动；(c)扭转振动；(d)侧向振动。

图13 皮带的振动。