发动机噪声与振动

汽车噪声与振动——理论与应用汽车噪声的传递有固体波动和气体波动两种传播形式。

通常500Hz以下的低、中频率噪声主要以固体波动形式传播，而在较高的频带则以空气传播为主。

第十章发动机的振动第十一章发动机的噪声在相同条件下，柴油机的排气噪声要比汽油机的排气噪声大，二冲程燃机的排气噪声要比四冲程的大。

柴油机的排气声呈明显的低频性，能量主要集中在基频及其倍频的频率围；中频围主要是排气管气柱振荡的固有音；高频围主要包括燃烧声和气流高速通过气口的空气动力噪声。

发动机两种噪声：纯音和混杂音。

纯音是窄频带的，用抗性消音器；混杂音是宽频带的，用阻性消声器。

抗性消声器：将能量反射回声源，从而抑制声音。

阻性消声器：声能被吸声材料吸收并转化成热能，从而消声。

发动机噪声估算： 1、柴油机声功率级)lg(30)lg(1057bb b W n nP n L ++≈ （dBA ） 式中：W L ——柴油机声功率级；b P ——柴油机标定功率（kW ）； b n ——柴油机标定转速（r/min ）；n ——柴油机实际转速（r/min ）。

2、柴油机机体表面辐射声功率级的近似公式柴油机机体表面辐射的31倍频程声功率级近似计算公式如下：)lg(2010001000)1(lg 1052)(bb bb W n n ff m P P n f L +⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++≈ 式中：f ——31倍频程中心频率（Hz ）；m ——柴油机质量（kg ）。

3、汽油机声功率级估算)lg(50)lg(1057bb b W n nP n L ++≈ （dBA ） 以上公式只是估算，公式已显旧。

机体结构特性：结构特性主要指振型、固有频率和传递函数。

燃烧噪声：由于气缸燃烧，将活塞对缸套的压力振动通过缸盖—活塞—连杆—曲柄—机体向外辐射的噪声称为燃烧噪声。

机械噪声：活塞对缸套的撞击、正时齿轮、配气机构、喷油系统、辅助皮带、正时皮带等运动件之间的机械撞击所产生的振动激发的噪声称为机械噪声。

进气噪声：进气噪声是由进气门周期性开、闭而产生的压力波动所产生的。

它主要包括三种成分：\ 1、进气门开启时活塞作变速运动所引起的进气脉动噪声； 2、进气门关闭时进气管道中的空气柱共振噪声； 3、气流流经进气门环隙时产生的涡流噪声。

进气门开启时，在进气管中产生一个压力脉冲，随着活塞的继续运动，它逐渐消失；当进气门关闭时，同样产生一个持续一定时间的压力脉冲，这样就产生了周期性的进气噪声。

次噪声为低频成分，其基频由下式决定：τz n f ⋅=601式中：n ——燃机转速（r/min ）； z ——气缸数目；τ——冲程系数，四行程2=τ，两行程1=τ。

有时在进气噪声中还会出现明显的12f 、13f 的高次谐波成分，其频率一般都是500Hz 以下的低频围。

进气门涡流噪声进气门涡流噪声：空气在进气门通过截面处，以高速流入并形成涡流，从而产生涡流噪声。

由于进气门流通截面积是变化的，其噪声一般是宽频带、连续的高频噪声，主要频率成分在1000Hz 以上。

涡流噪声的峰值频率为：dvS f r ⋅=式中：r S ——斯特劳哈尔数，一般取05.0=r S ；v ——气门处进气截面的气流速度（m/s ）；d ——进气门直径（m ）。

对于涡轮增加发动机，由于增压器的转速很高，因此，其进气噪声明显高于非增压发动机。

进气噪声的大小：与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关。

设计合理的进气系统，包括安装合适的空气滤清器、加装空气消声器等都是降低进气噪声最有效的措施。

风扇噪声：燃机的冷却系统通常采用低压轴流式风扇，风扇噪声在燃机空气动力性噪声中一般都小于排气噪声和进气噪声，但风冷发动机的风扇噪声要比水冷机大，且可能成为主要的噪声源。

风扇噪声是由旋转噪声和涡流噪声组成。

1、旋转噪声的基频就是叶片每秒打击空气质点的次数，其值为：601i n f f ⋅=（Hz ）式中：f n ——风扇转速（r/min ）；i ——风扇叶片数，对燃机多为4~6片。

2、涡流噪声又称紊流噪声它是气流在旋转的叶片界面上分离时，由于气体具有粘性，便滑脱或分裂成一系列的漩涡流，从而辐射一种非稳定的流动噪声。

当该涡流引起的振动频率与叶片的固有频率接近时，叶片振动和噪声增加，这一振动往往是叶片折断的一个原因。

涡流噪声主要峰值频率可用下式估计：duS f r ⋅=式中：r S ——斯特劳哈尔数，一般取2.0~14.0=r S ；u ——气流与叶片之间的相对速度（m/s ）；d ——叶片在垂直于速度平面上投影的宽度（m ）。

3、风扇转速通常都是很高的，因而除了风扇本身的空气动力性噪声外，还有由于风扇的不平衡及支座的振动、轴承的撞击、传动带的振动、风扇导风罩的振动等产生的一系列的、有些甚至较强的机械噪声。

4、取较大的风扇直径、增加风扇叶片数也可降低风扇噪声。

在水冷发动机上叶片数一般为4~6个；在风冷发动机上，多采用机翼型风扇断面，叶片数5~17片。

5、风扇安装位置随着风扇与散热器之间距离的增加，风扇的冷却能力、流量和噪声都要增加，但距离达到某一最大值后又开始下降。

6、风扇材料铸铝叶片要比冲压钢板叶片噪声小；采用尼龙叶片要比金属叶片噪声小。

机械噪声：1、活塞——曲柄连杆机构噪声配器机构产生的噪声，就总体而言，在低速和中速燃机中，一般并不突出，但对高速燃机来说，往往会在机械噪声源中占有较高份额。

配器机构的噪声一般分布在低中频围，它的主要低频成分频率可由下式决定：图9-24 气门机构噪声和摇臂应力图燃烧噪声：一般情况下，汽油机的燃烧噪声比较小，只是在发生爆震和表面点火等不平常燃烧时才会产生较高的噪声。

柴油机的燃烧噪声与汽油机不同，在总噪声中占有很大的比例，远比汽油机高的多。

柴油机燃烧过程：着火延迟期、急燃期、缓燃期、后燃期，如下图所示：燃烧阶段对噪声的影响序号阶段对噪声影响程度及造成原因1、着火延迟期此阶段气缸的压力和温度变化小，对噪声直接影响小，而着火延迟期对整个燃烧过程的进展有很大影响，所以对燃烧噪声有的潜在影响。

2、急燃期气缸气体压力和温度急剧增加并以压力波形式向气缸壁传播和反射，这直接影响到燃机的振动和噪声。

影响急燃期压力增长率的主要因素是：着火延迟期的长短和供油规律。

着火延迟期愈长，在此期间喷入气缸的燃油愈多，则末压力增长率和最高燃烧压力也就愈高。

3、缓燃期对发动机的高频振动和高频噪声有影响。

4、后燃期气缸的气体压力和温度已显著下降，对燃烧噪声的影响已不大。

4）影响燃烧噪声的因素影响燃烧噪声的因素——柴油机序号影响因素影响容1、燃烧室燃烧室的结构形式及整个燃烧系统的设计对压力增长率ϕddp/、最高燃烧压力zp及气缸压力的频谱曲线有明显的影响，因此对燃烧噪声的影响很大。

2、供油系统参数供油提前角从动力性、经济型角度，往往供油提前角偏大；从减小排放和降噪角度考虑，则应适当推迟供油提前角。

喷油压力喷油压力的变化影响燃烧过程，但对燃烧噪声的并没有太大影响。

喷孔数量减少喷孔数量——着火延迟期缩短，有助于降低ϕddp/，气缸的压力频谱曲线也相应降低，尤其是中高频将的更多些。

但喷孔数量的减少会导致柴油机“油耗率”的恶化。

降低燃机噪声：一、燃机降噪基本方法：对于汽油机由于其本身的高速性，机械噪声可能大于燃烧噪声；对于柴油机由于本身工作的粗暴性，在较低转速下燃烧噪声要高于机械噪声，随着转速的提高，两者之间的相对关系会发生变化；风扇噪声相对较小，但如果转速显著提高或是风冷燃机，其噪声也会突出增大；进气噪声一般是不突出的，但采用增压后也会明显增加。

降噪基本措施：一是从噪声产生机理入手，致力于降低产生噪声的声源；二是减振隔振。

二、降低燃烧噪声：燃烧噪声测量：1、卸下风扇除去风扇噪声；2、用通风管从室外引进吸入空气以除去进气噪声；3、将排气管引至室外除去排气噪声，最后所测得的便可认为是燃烧噪声。

降低燃烧噪声的基本方法：适当降低气缸的压力增长率。

要降低柴油机的燃烧噪声可以从以下两个方面进行：1、降低气缸压力频谱4）采用增压不论是采用增压的同时降低转速或减小缸径以保持功率不变，都可以有效降低燃烧噪声。

2、结构衰减三、降低机械噪声：1、降低活塞敲击噪声活塞对气缸的敲击噪声占机械噪声中的比例最大。

A、减少活塞与气缸之间的间隙；B、将活塞销中心偏置气缸中心线；C、其它措施。

增加缸套刚度：不仅可以降低活塞的敲击噪声，也可以降低因活塞和缸壁摩擦而产生的噪声。

改进活塞和气缸壁之间的润滑状况，增加活塞敲击缸壁时的阻尼，也可以减小活塞敲击噪声。

2、降低配气机构的机械噪声气门机构的噪声：在低速条件下主要是由传动零件之间有间隙产生撞击而产生的；在高转速下，则可能由于气门发生不规则运动产生“反弹”、“反跳”而加剧。

A、采用顶置凸轮；B、凸轮型线缓冲曲线段的合理设计；C、采用不同形式的函数凸轮；D、采用液力挺柱3、 降低齿轮传动的噪声齿轮传动到来噪声，燃机中很多部件都采用齿轮传动：正时齿轮、喷油泵齿轮、分电器以及动力输出装置等。

其中最主要的是正时齿轮噪声。

齿轮在啮合与分离过程中产生的周期性冲击具有的频率称为啮合频率：z n f m ⋅=60（Hz ）式中：n 为转速（r/min ），z 为齿数。

此外、齿轮制造过程中或多或少有一点偏心，使得齿轮在旋转过程中啮合的松紧程度发生周期性的变化，因而由啮合引起的齿轮振动的幅值也作周期性变化，其频率称为回转频率：60nf r = （Hz ） 式中：n 为转速（r/min ）。

A 、 采用低噪声齿轮——合理选择齿轮形式、合理确定齿轮参数和选择加工方法，适当提高加工精度。

采用斜齿轮代替直齿轮，使重合度增加，轮齿上分担的载荷变小，可减轻齿轮的振动，啮合平稳，减小啮合冲击噪声。

对齿轮的修缘也可起到降噪的作用：齿轮承载后的弹性变形和制造误差，会使齿轮在啮合时于齿根和齿顶处产生干涉；采用齿顶及齿根的修缘，可提高齿形方向的接触精度。

另外，齿轮承载可能会导致轮齿倾斜接触，此问题可通过齿向修整，修成鼓形齿或两端减薄齿。

B 、 适当减小齿轮的侧向间隙C 、 合理设计齿轮轮体齿环越厚越好，直径越小越好；增加齿宽，减小直径辐射面积，都可使齿轮降噪。

4、合理选择齿轮材料及配对5、合理选择齿轮传动系布置位置6、采用齿形同步带或者链传动驱动凸轮轴采用齿形同步带传动代替齿轮传动可以明显降低噪声，但传动效率低于齿轮传动是其缺点。

7、齿轮室盖的减振和隔声措施降低风扇和进气、排气噪声一、降低风扇噪声1、适当控制风扇速度2、采用叶片不均匀分布的风扇叶片均匀分布的风扇往往会产生一些声压级很高的有调成分，当叶片不均匀布置后，一般可降低风扇中那些突出的线状频谱成分，使噪声频谱较为平滑。

3、用塑料风扇代替钢板风扇4、在车用燃机上采用自动离合器5、风扇和散热器系统要合理设计二、降低排气噪声三、降低进气噪声第十二章管道声学及进气系统的噪声与振动分析进气管截面积越大，功率损失越小；进气管截面积越小，空气噪声越低——相矛盾。