内燃机配气机构噪声

内燃机配气机构机械噪声的产生机理及其控制措施

蒋明刚，200710603128，车辆工程072班

摘要:本文对发动机的机配气机构机械噪声的产生机理进行了简要说明,并针对这些噪声的产生机理提出了一些减小噪声的合理改进措施。

序论：配气机构作为发动机两大机构之一，是发动机的重要组成部分。其功能是实现换气过程，定时开启和关闭气门，以保证吸入新鲜空气和排出废气。配气机构由于零件多，结构比较复杂，而且高速运转，所以在发动机运行过程中，它产生的机械噪声在发动机总体机械噪声中占有很大比重，所以研究配气机构机械噪声的产生机理及控制措施，对进一步减小发动机噪声，以及提高发动机整体的经济型，排放性能有很大作用。

1 .配气机构噪声产生的机理

四冲程内燃机基本都采用气门—

凸轮式配气机构。这种机构包括凸轮

轴、挺柱、挺杆、摇臂、气门等。零件

多、刚度差是配气机构的显著特点，因

而易于激发起振动和噪声。其基本结构

如右图所示：

（1）正时齿轮的啮合噪声；

齿轮噪声是由于在齿轮啮合过程

中，齿轮受到连续的冲击、振动而产生

的。在齿轮的加工与安装中都必然有误

差，齿廓表面也不可能是绝对准确的渐

开线曲面，啮合中由于力的作用会引起

变形等，这些都是引起噪声的原因。齿

轮传动机构中的齿轮噪声，实际上还会

由一些其他原因引起，如传动节负荷的

变动，驱动轴的跳动，电机转动不稳等，

都会引起齿于齿之间的撞击，也就会引

发噪声，所以齿轮传动中的齿轮噪声，

是一种因素很复杂的噪声。

（2）摇臂与凸轮表面之间摩擦振动噪

声；

由于凸轮和挺柱之间在很大的正

压力之下进行相对滑动，因此存在很大

的摩擦力。这种摩擦力不可避免的要激发起摩擦振动，产生噪声。

（3）气门杆与摇臂的敲击噪声；

由于内燃机可达到很高的工作温度，必须考虑配气机构各个传动零件的膨胀。未采用液力挺柱的配气机构中，常温下在气门杆与摇臂之间必须留给有气门间隙。开启气门时，摇臂越过气门间隙才能压迫气门杆运动，这就产生了撞击，发出噪声，且集中于配气机构自然频率附近频段。采用液力挺柱可避免这种噪声。

（4）气门落座噪声；

打开的气门依靠弹簧的作用力回复到关闭状态。在这种强大的作用力下，气门与气门座之间将产生撞击，发出噪声，其频谱峰值出现在气门座与缸盖系统的固有频率附近。

（5）高速运转时传动链脱节产生噪声；

内燃机高速运动时，配气机构的各个零件可达很高的速度，而且方向变换频繁，故其加速度很高。此时有可能出现传动链脱节现象。传动链脱节现象主要发生在气门落座过程中。

考虑如上图所示的下置凸轮配齐机构。正常情况下，凸轮转到一定角度，便开始了气门落座运动。此时，气门、摇臂、推杆和挺柱都在气门弹簧的压力下作加速运动。为了使传动链不脱节，当凸轮轴转速随内燃机转速的提高而提高时，气门、摇臂、推杆和挺柱的加速度也必须跟着提高。而这些加速度是由气门弹簧力产生的，其最大可能的加速度受到气门弹簧刚度系数的限制。所以，如果凸轮轴转速过高，气门、摇臂、推杆和挺柱的加速度会跟不上凸轮位置的改变，产生传动链脱节现象。

研究表明，内燃机低速时的噪声，主要是气门开关时的撞击以及从动件和凸轮顶部的摩擦振动所产生的。高速时的配气机构是由于气门的不规则运动所引起的。由内燃机配气机构的动力学可知，实际的配气机构为一弹性系统。工作时，弹性形变会使位于传动链末端气门处的运动产生很大畸变，使气门的升程、速度，特别是加速度运动曲线“失真”，造成气门的运动有时迟后于挺柱，有时则超前于挺柱，使传动链出现脱节，气门开闭不正常，产生“飞脱”和“反弹”等不规则运动现象。这种现象在内燃机低速运转时并不出现，在高速运转时由于配气机构从动惯性力增大，使得整个机构的振动、气门不规则运动加剧，从而产生强烈的噪声，严重时还会使内燃机的正常工作遭到破坏。因此，高速时配气机构的噪声主要和气门的不规则运动有关。

2 .影响配气机构噪声的因素及控制措施

要降低配气机构的噪声，主要途径是控制气门的冲击力。

（1）润滑；

良好的润滑能减少摩擦，降低摩擦噪声。推荐怠速是凸轮与挺柱之间的最小油膜厚度为2μm，1000r/min是最小油膜厚度为3μm。

凸轮转速越高，油膜越厚。所以内燃机高速运转时，配气机构的摩擦振动和噪声就不突出了。

（2）减小气门间隙；

减小气门间隙可减少因间隙的存在而产生的撞击。但为了保证气门的正常工作，在一般配气机构中必须保持必要的间隙。采用“液力挺柱”，可以从根本上消除气门间隙，从而消除传动中的撞击，并可以有效的控制气门的落座速度，因而可以使配气机构的噪声显著降低。

（3）转速；

配气机构噪声级随着内燃机的转速的增加而增加，总的趋势近于正比关系。

（4）选用性能优良的凸轮线型；

通常凸轮设计可采用在运动学设计的基础上，考虑各种动力因素的影响，即在设计凸轮外形时，事先对通过运动学设计的凸轮进行动力学修正，使气门按理想的规律运动。目前设计凸轮时，较为多见的是预先选一个理想的气门升程曲线。这种曲线应当使气门升程曲线率系数足够大；保证内燃机充气性能良好；加速度曲线平滑以保证配齐机构动态特性良好等。然后设计凸轮的线型。比较符合上述要求的凸轮线型有多种，应用较广的是多项动力凸轮。今年来还出现了高次简谐凸轮和滞后动力凸轮。高次简谐凸轮除了能满足配气机构其他方面的要求之外，突出的优点是加速度曲线平滑、振动小、噪声低。这是由于考虑到设计高次简谐凸轮的基本思想是：使配气机构产生的强迫振动的激发力是一个取决于挺柱位移变化规律的周期函数，凸轮轴每转一周，变化一次，变化周期为2π。根据傅里叶级数理论可知，该周期函数可以分解为一系列频率为基频率倍数的简谐力的叠加，而配气机构的振动又可以看作为所有这些简谐力所激发的强迫振动的总和。其中在内燃机转速范围内，频率等于配气机构固有频率的那些简谐力能够激发起系统的共振。在设计凸轮外形时，以一个统一的简谐方程式表达凸轮型线，把那些能激发共振的谐量去掉。试验表明：这种凸轮型线在内燃机高速运转时，能给出令人满意的气门运动和低的配气机构噪声。

（5）提高配气机构零件的刚度；

其中包括各元件的刚度和摇臂轴及其支承座的刚度。刚度提高后可以使配气机构的固有频率提高，减小振动，缩小气门运动的畸变。提高弹簧预紧力或弹簧的刚度，虽然能减少振动并防止传动链脱节，但这会引起传动链载荷增加，磨损加剧，并使气门落座情况更加恶化。

缩短推杆长度是减轻系统重量、提高刚度的有效措施。顶置凸轮轴取消了推杆，对减小噪声特别有利。

（6）减轻驱动元件的重量

减轻重量可提高配气机构的固有频率，减小惯性力。在配气机构中，气门对系统的固有频率影响最大。其次是推杆、摇臂等。但减轻重量往往要收到多方面的限制，因此需要综合权衡。在配气机构中，缩短推杆的长度是减轻系统重量、提高刚度的一项有效措施。对高速内燃机，应力求把凸轮已经气门，甚至取消推杆，即多为的上置式凸轮轴，这对减小噪声改善动力性特征是有利的。

结论：

噪声污染已经成为现代社会的一代公害。噪声可以使人的听力收到损害，造成严重的噪声性耳聋，严重的噪声也会对人体神经系统、心血管系统，肠胃系统造成