汽车发动机噪声及控制的分析研究

摘要：汽车乘坐的舒适性已成为考量汽车性能的一个重要指标，发动机噪声是汽车噪声的主要来源，本文重点介绍、分析了发动机噪声类型及各种形成机理，并在此基础上针对不同的噪声提出了相对的噪声控制或降低噪声的方法，并对此进行了简单的分析研究。

关键词：发动机；噪声机理分析；降噪控制

目前，汽车已经成为人们生活和工作中最重要的代步交通工具，而且随着生活水平的提高，人们对汽车的要求是越来越高，现在已不仅仅局限于代步而已，更多的是偏向于乘坐的舒适性。发动机的振动噪声是评价汽车舒适性性能的重要指标之一。同时，据国外有关资料表明，城市交通噪声70%来源于汽车，而我国汽车噪声的55%来源于发动机，因此，对发动机噪声的分析研究与控制具有重要的意义。发动机的机械噪声源于发动机零部件的振动，而主要零部件的振动都直接或间接与曲轴的振动有关。我们一般将发动机噪声分为三种类型：燃烧噪声、机械噪声和空气动力学噪声。

1 振动噪声产生的机理分析

汽车发动机的噪声产生的原因是多方面的、复杂的，他不仅跟发动机各组成结构有关，还跟各机械结构之间的相对运动、运动速度有关，而且有时还跟發动机在汽车前擎位置上的安装情况、位置有关。对汽车发动机噪声的研究也由来已久，无论是相关科研院所，还是汽车制造企业都在噪声分析与降噪方面做了大量的并且卓有成效的研究工作。发动机振动噪声研究从1957年开始出现相关研究文献，2010年达到最热，至今共有496篇相关论文。以下主要从三方面对噪声的产生作简要的分析。

1.1 燃烧噪声

燃烧噪声顾名思义就是在混合气体在发动机汽缸体内燃烧时，内能转化为机械能的过程中产生的振动，它是一种高频段占比重的噪声，主要方式是混合气体燃烧形成的压力振动并通过缸盖和活塞→连杆→曲轴→机体的途径向外辐射、传递。燃烧噪声的高低取决于汽车发动机内混合气体燃烧的方式及其速度大小。

四冲程发动机的工作循环由进气、压缩、燃烧和排气四个行程，燃烧噪声主要发生在从点火开始到燃烧结束的这段时间内，压力中高频分量的主要来源是缸筒内混合气体的燃烧冲击与燃烧压力振荡。同时，在燃烧室内发生的急速的、高温、高压的燃烧也必将引起发动机有关结构的不稳。这些因素共同构成了发动机的燃烧噪声。

1.2 机械噪声

机械噪声主要是发动机机体及其组成机械结构之间的相互运动、碰撞而造成的，主要的元素包括活塞敲击缸套，曲轴运动，配气机构运动，皮带轮、正时齿轮等运转造成的噪声，喷油嘴喷油噪声等，机械噪声具有周期性，不可消失性等特点，他的大小跟发动机的机械结构的动态特性等因素有关。

1.2.1 活塞噪声

发动机结构中主要有活塞跟曲轴两大运动构件，其中动力的来源是活塞的往复运动，活塞在上下往复运动时，由于其与缸筒有一定的间隙，这样就会对缸筒壁产生一定的冲击力、敲击，并产生了振动，这个振动噪声通常是发动机最大的机械噪声来源。

活塞对起港通壁的冲击，主要是由于活塞跟缸壁之间的间隙噪声的，同时为了密封，在活塞上面又安装了两道气环和一道油环，这样就噪声活塞与缸壁之间的接觸不是一个整体的面接触，同时在曲柄连杆机构运动过程中，连杆所受的力的方向不是垂直方向的，甚至侧向力的方向在活塞从上止点到下止点与活塞从下止点到上止点上都是变化的。这样就造成了变化的交变力。这个交变力跟气体压力、摩擦力、惯性力的大小与方向有关。

1.2.2 配气机构噪声分析

发动机配气机构也是重要的机械噪声来源。而且配气机构的零件多、刚性差、相对运动频繁，因此就易于激发振动和噪声。在这些零件中主要包括：凸轮轴上摇臂与挺杆之间的往复“摇头”敲击运动，气门开、关时的与气缸盖的碰撞声，推杆跟挺杆之间的摩擦碰撞声，凸轮和挺杆间的摩擦振动等。

在发动机运转时时，由于速度较快，进、排气的速率也比较快，因此，气门的开、闭频率就会比较高，同时发动机凸轮轴上的摇臂、推杆和挺杆的运动速度都比较大，因此这些机械机构的运动惯性就会很大，这样在机构运动停止时就会产生比较大的冲击，使整个机构产生振动。而且在振动过程中还有可能产生气门开闭不正常、传动链脱节、正时齿轮啮合不稳、产生“飞脱”和“反弹”等不规则运动现象。

1.2.3 供油系噪声分析

喷油系统也是柴油机噪声的来主要来源之一，其主要是由喷油泵和高压油管系统的振动引起的，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以及发动机往复运动惯性力激发泵体自身振动而引起的。该部分噪声根据产生物体的不同可以分为机械噪声和流体噪声。

很明显，机械噪声就是供油系统机械运动机构之间的相对运动产生的冲击及摩擦，主要有齿轮泵、高压油泵、进油管路、回油管路、喷油泵凸轮、喷油嘴等结构，这些机械结构在重复运行的过程中会产生周期性的交变力冲击。而流体噪声主要是燃油在管路里流动过程中，由于震荡和惯性的作用从而会产生脉动的波形冲击力，激发振动噪声，它冲击管壁从而激发出大量振动噪声。

1.3 空气动力学噪声分析

空气动力学噪声是按照噪声辐射的方式来分，是直接向大气辐射的噪声源，主要有进、排气噪声和风扇噪声。在这几个中，排气系统是主要的噪声源。

排气噪声按产生的原因分为三种：排气门在打开过程中产生的周期性排气噪声；在管路里由于气体涡流而；排气系统各组成构件之间以及其与尾气之间产生的共鸣噪声。

2 降低噪声的方法分析

发动机噪声作为汽车噪声的主要来源，为了提高汽车的舒适性，必须适当地控制并降低噪声。噪声控制的方法主要有从机械原理出发的噪声控制、从声学原理出发的噪声控制等。

2.1 从机械原理出发的噪声控制措施

随着材料科技的发展，各种新型材料应运而生，用一些内摩擦较大的合金高强度塑料生产机器零件：对于风扇可以选择最佳叶片形状降低噪声；齿轮改用斜齿轮或螺旋齿轮，啮合系数大，可降低噪声3～16dB；改用皮带传动代替一般的齿轮传动，由于皮带能起到减震阻尼作用；选择合适的传动比也能降低噪声。

同时也可以改进一些零部件的机械结构，提高零部件加工精度和装配质量，使它们之间的相互摩擦尽量减小，可以将噪声降低。再者也可以通过减小偏心振动和提高机壳的刚度等措施来减小噪声。

2.2 从声学原理出发的噪声控制措施

目前噪声控制措施主要有吸声、隔声、减震三种方法。吸声是用特种材料來改变声波的方向，使得噪声产生后经过特殊材料作用后及吸收掉一部分，反射回来的能量大大降低，达到降噪的目的。

隔声降噪方法是用某种隔声材料将声源与周围环境隔离，使辐射的噪声不能通过该材料，直接传播到周围区域，从而达到降噪目的。

减震降噪是由于目前汽车的外壳都是由金属薄板制成，车身行使过程中，各种振动源产生的噪声最终都传到了车身上，而金属薄片制成的车身以弹性波形传播，同时引起车体上其他部件的振动。防止发动机、传动系、悬架及轮胎的振动传人车内；这些问题现在主要要通过加强地板、顶棚等大面积的钣件的刚度，尽量少用大面积钣金件的办法来解决。

3 结语

汽车工业发展到今天，乘坐舒适性已成为衡量汽车性能的一个重要指标，因此，降低汽车噪声研究必然是未来汽车科技的一个重要课题，汽车噪声的治理应走全方位综合治理之路。首先，需要政府完善噪声法规，为治理汽车噪声提供强有力的法律保证和持久的推动力；其次，从技术层面讲，通过对噪声产生机理（来源）和控制方法的分析研究，为汽车的降噪研究提供了理论依据也为未来的汽车发展指明了方向。总之，科技是治理汽车噪声的根本途径，各汽车厂商应遵循国家标准，利用一切科技手段，积极开展汽车消声新技术研究，不断促进汽车的低噪声化。

参考文献：

[1]张玉春，王良曦，丛华.汽车主动悬挂控制的研究现状和未来挑战[J].控制理论与应用，2004（01）.

[2]丁吉，姜涛，蒋宁.基于悬臂梁振动的主动控制技术研究[J].长春工业大学学报（自然科学版），2007（03）.

[3]胡旭林，杨光.ER流体性能的仿真研究[J].长春工业大学学报（自然科学版）， 2005（02）.

[4]吕振华，梁伟，上官文斌.汽车发动机液阻悬置动特性仿真与实验分析[J].汽车工程，2002（02）.

[5]缪赟，龚雅萍，刘侍刚，邱阳.柴油机双层隔振的自适应模糊控制方法及模拟试验的研究[J].船舶工程，2001（06）.

[6]刘福水，葛蕴珊，唐志伟，郭良平.半主动控制液力懸置的模拟和实验研究[J].北京理工大学学报，2000（05）.

[7]余成波，等.内燃机振动控制及应用[M].国防工业出版社，1997.

项目来源：武汉商学院2015年校级科研项目

项目名称：基于Matlab的发动机振动噪声测量系统设计研究（项目编号：2015KY010）

作者简介：郭伟（1984），男，硕士，助教，研究方向：机械设计、机电控制等。