第六章 发动机及动力总成噪声

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。
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。
（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。
（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。
6.2.2 传动系轴承噪声及其控制
单纯轴承噪声相对其他噪声来说是比较低 的，但轴承对整机的支撑刚度和固有频率有 较大影响，支承刚度不当可能会导致整个系 统的共振并发出噪声。 一般情况下，滑动轴承的噪声比滚动轴承的 噪声小得多。
滚动轴承噪声产生的一个重要原因：是由于轴和轴 承偏心引起的不平衡惯性力，几何形状误差导致的 作用力波动，表面质量差引起的摩擦力及外加负荷 的波动。 其它原因是：滚动体与套圈在径向载荷作用下产生 弹性变形以及轴心在旋转中产生周期性的跳动，都 将使滚动体、套圈和保持架之间产生撞击和摩擦。 轴承内有灰尘杂质，滚动体和滚道上有锈斑、压痕、 锈蚀等，轴承也会产生周期性的振动和噪声。 球轴承是点接触，其噪声水平要比滚子轴承小得多。 提高轴承的几何精度，以减少滚动体与滚道之间的 摩擦和冲击，是解决轴承噪声的关键。另外提高套 圈刚度、适当的预紧力、良好的润滑、对轴承进行 屏蔽和阻尼处理，加装隔振衬套等技术均可适当的 降低轴承噪声。
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。
2 发动机噪声与各参数之间的关系 发动机噪声与转速密切相关，此外，发动机尺寸、 缸径、行程与缸径之比、缸数等参数对发动机噪声 也有影响。试验表明: ①发动机转速 转速增加，发动机噪声大幅增加。其声强 I 与发动 ne 的关系为： I ∝ ne k 机转速 对于汽油机 k=5， 对于柴油机 k=3。 ②发动机尺寸 尺寸增加，意味着噪声辐射面积增加。辐射面积增 加10倍，噪声增加约13.3dB(A)。 发动机排量VH 增加10倍，噪声增加约17.5dB(A)。
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。
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，…。
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。
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。
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， 燃烧噪声也会降低，但喷油提前角减小会影响柴 油机的燃料经济性。
齿轮啮合噪声 齿轮在啮பைடு நூலகம்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。
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。
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
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。
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。
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。