第六章 发动机及动力总成噪声

6.3
发动机的空气动力噪声
6.3.1 进气及排气噪声
1. 进气噪声 从成因分析主要有两种：一个是管内的脉动噪声，另一种是涡 流噪声。进气门周期性开闭性引起进气管道内压力脉动，从而 形成脉动噪声。这种噪声一般表现为低频噪声，其频率为 nz f =k (6.3 1) 60τ 式中 z--气缸数； n--发动机转速(r/min); τ--冲程系数，四冲程发动机τ=2、二冲程发动机τ=1； k--简谐次数，k=1，2，3，…。
（3）采用增压。柴油机增压后，气缸中空气密度 和温度升高，可缩短着火延迟期，使发动机工作 柔和。 （4）增加发动机对燃烧噪声的衰减措施 阻尼控制 在机体骨架上紧固抑制共振的高阻尼板； 隔振（复合阻尼钢板）油底壳等。 刚度控制 刚度控制的原理：用密度小的材料，在总重量不 增加的前提下制成较厚的壁，以大幅度增加发动 机壁部的弯曲刚度和固有频率。 采用较大的行程和缸径之比。
空气动力噪声直接向空间辐射，引起空气动力噪声 的噪声源主要有：进气噪声、排气噪声和冷却风扇 噪声。 发动机燃烧噪声和机械噪声是指内部的燃烧过程和 结构振动所产生的噪声，是通过发动机外表面以及 与发动机外表面连接的零件的振动向外辐射的，因 此将这两类噪声称为发动机表面振动的结构噪声。 燃烧噪声的发生机理相当复杂，主要是由于气缸内 周期性变化的压力作用而产生，与发动机的燃烧方 式和燃烧速度密切相关。
在速燃期内燃料燃烧迅速，气缸内压力急剧增加， 直接影响发动机的振动和噪声。此时气缸内压力增 长率大，意味着发动机的冲击载荷越大，内部零件 受敲击严重，从而增加了发动机的结构振动和所辐 射的噪声。 在缓燃期内，气缸内压力有所增长，但增长率比较 小，因此产生的燃烧噪声，对整体噪声的影响不显 著。而在补燃期内，因活塞下行且绝大多数燃料已 在前两个时期内燃烧完毕，产生的燃烧噪声小。 燃烧噪声的主要传播途径是经过曲柄连杆机构（即： 活塞、连杆、曲轴及主轴承），只有极少数是经过 气缸盖和气缸套传播的。
2 控制燃烧噪声的主要措施 (1)合理设计燃烧室形状。改进燃烧室结构形状和参 数，不但直接影响柴油机的性能，而且影响着火 延迟期、压力升高率，从而影响燃烧噪声。一般 分隔式燃烧室的燃烧噪声比较低。直喷式燃烧室 中的球形和斜置圆筒形燃烧室的燃烧噪声较低。 直接燃烧（DI）方式比间接燃烧（IDI）方式的噪 声要大。 (2)对供油系各参数进行综合调试。 合理的设置喷油提前角。通常喷油提前角减小， 济性。
④活塞裙部处理。在活塞裙部设置几个油孔，加强 润滑；采用有弹力的活塞裙部；均可缓解活塞对 缸壁的撞击力。 ⑤增加活塞表面的振动阻尼。在活塞裙部表面进行 阻尼处理（如：聚四氟乙烯，然后再加一层铬氧 化物）从面缓冲和吸收活塞敲击的能量，可明显 地降低活塞敲击噪声。
2.配气机构噪声 （1）配气机构噪声的特性 试验证明，发动机低速时配气机构噪声主要是由气 门开启和关闭时的撞击造成的；高速时配气机构噪 声的增加是由于气门无规则运动造成的。 气门开启时的噪声主要是由施加于配气机构各部件 上的撞击力造成的(由于气门间隙和动载荷的存在)。 气门关闭时的噪声则是由于气门落座时的冲击产生 的。 气门的噪声级和气门运动的速度成正比。而气门运 动速度与凸轮型线、凸轮转速有关。 影响配气机构噪声主要因素是凸轮型线、气门间隙。
第六章
发动机及动力总成噪声
本章内容
发动机及动力总成噪声分析与控制
发动机及动力总成噪声 发动机机械噪声及其控制 发动机燃烧噪声及其控制
传动系噪声
传动系齿轮噪声及其控制 传动系轴承噪声及其控制
发动机的空气动力性噪声
进气与排气噪声 冷却风扇噪声
6.1 发动机及动力总成噪声分析与控制
6.1.1 发动机及动力总成噪声源 1 概述 发动机及动力总成噪声是汽车的主要噪声源之一。 尤其是在怠速、低速行驶和车辆启动加速过程中， 发动机及动力总成噪声愈发明显。为了降低汽车噪 声，首先应控制发动机及动力总成噪声。 通常发动机及动力总成噪声可以分为两大类：空气 动力噪声和表面振动结构噪声，如图6.1-1所示
6.2
传动系噪声
汽车传动系中的变速器、分动器、传动轴、差 速器和轮边减速器等都产生噪声。这部分总成主要 由齿轮、轴、万向节、轴承以及箱体构成。传动系 的主要噪声源是：齿轮噪声、轴承噪声、壳体振动 辐射噪声、传动轴振动噪声。
6.2.1
传动系齿轮噪声及其控制
1 齿轮噪声的特性 齿轮传动被广泛应用在发动机正时齿轮、变速器和 驱动桥的总成中。齿轮啮合处既有滚动又有滑动， 不可避免地要产生齿与齿之间的撞击与摩擦。另一 方面，齿轮的制造误差、安装误差以及发动机曲轴 的扭振使其所驱动的齿轮传动的正常啮合关系遭到 破坏，都会使齿轮产生振动并发出噪声 齿轮噪声由二种成分组成：齿轮啮合噪声、齿轮固 有振动噪声。
机械噪声是发动机工作时各运动件与固定件之间 作用的周期性变化的力所引起的，它与激发力的 大小和发动机结构动态特性等因素有关。 燃烧噪声与机械噪声早实际上是难于严格区分的。 机械噪声也是发动机气缸内燃料燃烧的间接激发 的噪声。为了研究的方便，把气缸内燃烧所形成 的压力振动并通过缸盖、活塞、连杆、曲轴到机 体的途径向外辐射的噪声叫燃烧噪声；把活塞对 缸套的敲击，齿轮、配气机构、喷油系统等运动 件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声辐射称 为机械噪声。
6.1.2 发动机机械噪声及其控制
1.活塞敲击噪声
⑴活塞敲击噪声特性 活塞对缸壁的敲击，通常是发动机最大的机械噪声。根本原因在 于它们之间存在间隙并且往复运动的活塞所承受的侧向力发生方 向突变。图6.1-2说明了气缸往复运动的活塞受力变化的情况。 由于活塞与缸壁之间存在间隙，当 作用于活塞上的气体压力、惯性 力和摩擦力发生周期性变化时,活 塞的侧向推力，在上、下止点处 反复改变方向，造成活塞冲击气 缸壁，从而产生活塞对气缸壁的 敲击噪声。
I ∝ VH 1.75
③缸数 在缸径、转速相同的前提下，发动机气缸数对噪声 影响不大。 ④缸径 在某一固定转速下，发动机噪声与缸径的关系为：
I ∝ D
5
上式表明，缸径是决定发动机噪声的主要因素之一, 当发动机排量一定的情况下，适当增加缸数，减小 缸径，对于降低发动机噪声是有利的。
⑤行程与缸径之比 行程与缸径(S/D)之比的大 小，对发动机噪声有较大 影响。当发动机排量相等 时， S/D之比小，则相对来 说缸径要大一些，其活塞 顶部受到的压力要大，因 而噪声也大。 ⑥发动机负荷 发动机负荷发生变化，对柴 油机噪声的影响不大；但 汽油机的噪声，却随着负 荷的增加而明显增加。
6.1.3
发动机燃烧噪声及其控制
1 燃烧噪声的特性 汽油机和柴油机的主要燃烧噪声一般都在速燃期。 汽油机燃烧过程柔和，其产生的噪声相对其他噪声来说比较 小，只有在不正常燃烧（爆震、表面点火）时会引起较大的 噪声。爆震时可产生4000～6000Hz的高频噪声，表面点火时 会产生500～2000Hz的噪声。 燃烧噪声在柴油机的噪声中占很大比例，不可忽视。柴油机 的最大压力和压力上升率远远高于汽油机，因此，柴油机的 噪声比汽油机高很多。 柴油机燃烧过程可分为滞燃期（着火落后期）、速燃期、缓 燃期和补燃期四个阶段。滞燃期内燃料并未燃烧，气缸内压 力较低，因此，滞燃期的燃烧噪声比较小。
（2）为降低其噪声，应从以下几方面着手： ①提高凸轮加工精度和减小表面粗糙度值。 ②采用经优化设计的凸轮型线。为了降低噪声，在设计凸 轮型线时，除保证气门升程、气门运动规律和最佳配气相 位外，还要使挺杆在凸轮型线缓冲段范围内的运动速度很 小，从而减小气门在始升或落座时的速度，降低因撞击而 产生的噪声。如：n次谐波凸轮。 ③采用液压挺杆。减小气门间隙可减小因间隙存在而产生 的撞击，从而减小噪声。但为保证气门正常工作，一般配 气机构还必须保持必要间隙。采用液压挺杆，可以根本上 消除气门间隙，从而消除传动中的撞击，并可有效地控制 气门落座速度。从而使得配气机构的噪声显著降低。 液压挺杆结构复杂，加工精度要求高，一般在高级轿车上 采用。
齿轮啮合噪声 齿轮在啮合和脱离过程中产生的周期性冲击噪声的 基频即为齿轮的啮合频率。
n fm = z 60 ( Hz ) (6.2 1)
式中，n为转速（r/min); z为齿轮齿数。 对于个别齿有缺陷或加工不好的齿，这个齿轮的噪 声非常突出。 齿轮固有振动噪声 齿轮啮合时，由于外力的作用，齿轮本身会产生固 有振动。在低速或大负荷时，此噪声较突出；若齿 轮的固有频率接近啮合频率时，往往产生共振，噪 声会明显增加。
2 控制齿轮噪声的常用方法
①齿轮参数和结构形式 一般在强度允许的条件下适当降低模数和压力角。 模数大会增加制造难度，加工误差变大；压力角大会造成啮 合过程中径向力增大。这些都会增大啮合噪声。 齿轮设计时增加重叠系数。经验表明重叠系数为2时噪声水 平比较低，相反在过大的重叠系数，齿轮精度不高的场合， 多对轮齿同时啮合反而会加剧振动、增大噪声。 对于圆柱齿轮来说，直齿齿轮噪声最高，斜齿次之，人字形 齿最低；对于圆锥齿轮来说，按噪声大小顺序排列为：直齿、 螺旋齿、双曲线齿。因此，从降低噪声的角度出发，宜优先 选取低噪声的齿轮结构。
②齿轮的制造工艺 齿轮的精度是影响齿轮工作时振动和噪声的关键，因此尽可 能提高齿轮的精度是必要的。通常在齿轮的粗加工和热处理 以后，应进行剃齿或磨齿等精加工。 为防止齿根和齿顶处的干涉，在加工时通常将干涉部分削 去，称为齿形修缘。齿形修缘可以降低齿轮工作时的噪声。 ③材料和结构 采用高分子材料取代传统的金属材料齿轮可以大大降低齿轮 噪声。 另外对金属齿轮进行阻尼处理，例如，在齿轮两边涂上阻尼 材料，在金属齿轮体内填充大阻尼橡胶等，形成阻尼结构， 达到减振降噪的目的。 采用热压齿轮结构（齿轮的辐板用铸铁制造，齿用钢制造）。 ④适当的润滑和合理的安装也能降低齿轮噪声。
⑵减小活塞敲击噪声的措施 ①尽可能减小活塞与缸壁之间的间隙。可以采用铸 铁活塞；采用紧配式活塞，优化计算它与气缸间的 间隙；在铝合金活塞裙部采用钢质支撑（镶恒范钢 片、圆形钢片等），控制活塞裙部直径的热膨胀。 ②改变活塞冲击时间，将活塞销孔的偏移。将活塞 销中心向主推力方向偏置一个适当的距离，可以使 活塞在上止点附近比较平顺地从压向气缸的一面过 渡到另一面，并且过渡的时刻与气缸压力剧增的时 刻相错开（要早一些），可以降小活塞“敲缸”。 ③适当增加活塞裙部长度。既可减少活塞摇摆幅 度，又可增加活塞与缸壁撞击时的承压面积，可降 低活塞敲击噪声。