发动机进气噪声及汽车nvh简介

发动机进气噪声及发动机进气噪声及 汽车汽车 NVH简介简介商研院动总商研院动总 刘明刘明一、 汽车噪声 噪声 是工业社会带来的副产品，它与 大气污染 和 水污染 一起被认为是当今世界三大公害。与其他两个公害相比，噪声的影响面最广，感觉最直接，人们反映也最多。汽车作为一种主要的交通工具日益普及和增长，因而汽车噪声所造成的环境污染也日益严重。 汽车噪声的种类 ： 产生汽车噪声的主要因素是：空气动力、机械传动、电磁三部分。从结构上可分为 发动机噪声 ,底盘噪声 ,电器设备噪声 ,车身噪声 。 其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上 ,包括 本体噪声 (如发动机振动 ,配气轴的转动 ,进、排气门开关等引起的噪声 )和 进气噪声 。 随着发动机技术的突飞猛进 , 发动机噪声有较大幅度的降低 。发动机之外的其他噪声来源如传动系噪声、轮胎噪声、排气噪声以及车身壁板结构振动辐射噪声等, 对车辆整体噪声的贡献份额相对增大 。对于小型高速机和大型增压机来说， 进气噪声有时比发动机本体噪声高出多达 5dB(A)， 成为仅次于排气噪声的主要噪声源。排气噪声是发动机最主要的噪声源，往往比本体噪声高出 10-15 dB(A). 此外 ,汽车轮胎在高速行驶时 ,也会引起较大的噪声。这是由于轮胎在地面流动时 ,位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸入过程所引起的泵气声 ,以及轮胎花纹与路面的撞击声。 进气噪声1、进气系统发动机是汽车的心脏，而进气系统则是发动机的动脉，也有人将进气系统比喻为汽车的呼吸系统。进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命，从而影响整机的性能、寿命及环保性。进气系统包含了进气歧管、进气门机构、空气滤清器。空气滤清器一般由进气导流管、空气滤清器盖、空气滤清器外壳和滤芯等组成。空气滤清器的功用主要是滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入气缸。实践证明，发动机不安装空气滤清器，其寿命将缩短 2/3。另外，空气滤清器也有 降低进气噪声 的作用。2、进气噪声产生机理、进气噪声产生机理进排气噪声均属于进排气噪声均属于 空气动力噪声空气动力噪声 ，由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而，由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而产生的噪声称为空气动力噪声产生的噪声称为空气动力噪声 。直接向大气辐射的空气动力噪声包括：进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声。发动机进气噪声是由发动机进气噪声是由 进气阀周期性开闭进气阀周期性开闭 而产生的压力波动所形成的。而产生的压力波动所形成的。进气噪声主要包括：周期性压力进气噪声主要包括：周期性压力 脉动噪声、脉动噪声、涡流噪声、气缸的玄姆霍兹共振噪声和进涡流噪声、气缸的玄姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。气管的气柱共振噪声。 进气阀门开启时，活塞由于上止点下行进气阀门开启时，活塞由于上止点下行吸气，临近活塞的气体分子以同样的速吸气，临近活塞的气体分子以同样的速度运动，这样在进气管内产生一个压力度运动，这样在进气管内产生一个压力脉冲，随着活塞的继续运动，它受到阻尼；脉冲，随着活塞的继续运动，它受到阻尼；当进气门关闭时，同样产生一个有一定持当进气门关闭时，同样产生一个有一定持续时间的压力脉冲，于是产生了周期性的续时间的压力脉冲，于是产生了周期性的噪声噪声 脉冲噪声脉冲噪声 ，其噪声频率成分主要，其噪声频率成分主要集中在集中在 200Hz以下的低频范围。以下的低频范围。同时，进气过程中的高速气流流过进气门流同时，进气过程中的高速气流流过进气门流通截面时，会形成通截面时，会形成 涡流噪声涡流噪声 ，由于进气门流通截面是不断变化的，涡流噪声主要，由于进气门流通截面是不断变化的，涡流噪声主要集中在集中在 1000-2000Hz之间的高频范围；之间的高频范围；另外，如果进气管中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产另外，如果进气管中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产生生 空气柱共鸣空气柱共鸣 ，使进气管中的噪声更加突出。，使进气管中的噪声更加突出。当进气阀关闭时，也会引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由当进气阀关闭时，也会引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由气门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播，并在管道开口端和关闭的气门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播，并在管道开口端和关闭的气阀之间产生多次反射，产生气阀之间产生多次反射，产生 波动噪声波动噪声 。进气噪声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，对进气噪声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，对同一台发动机来说，受转速影响最大，同一台发动机来说，受转速影响最大，转速提高一倍，进气噪声可以提高转速提高一倍，进气噪声可以提高 101 5dB(A)进气空气动力噪声（ 与发动机点火频率相同 ）n:转速 z:发动机缸数 i: 发动机冲程系数（四冲程为 2）k:谐波次数（阶次数） f: 噪声频率2、燃烧 和撞击声 ： 频率 1000以上（大约）3、空气摩擦噪声： 频率 800 1000Hz以上（大约）三、进气噪声的控制 1.噪声的控制所有的噪声问题基本上都可以分为三部分： 声源传播途径接收者 。因此，一般噪声控制技术都是分为三部分来考虑。首先是降低声源的噪声，如果做不到，或都能做到却又不经济，则考虑从传播途径中来降低。如上述方案仍然达到要求或不经济则可考虑接收者的个人防护。(1)声源控制 降低声源本身的噪声是治本的方法(2)噪声传播途径控制(a)吸声：主要利用吸声材料或吸收结构来吸收声能。(b)隔声：用屏蔽物将声音挡住，隔离开来，是控制噪声最有效措施之一。(c)消声：消声就是利用消声器来降低空气中声的传播。(3)个人防护 (护耳器 ) 2.进气噪声的控制2.1声源控制 2.1.1合理的设计和选用空气滤清器。空滤是发动机有效的进气消声器，空滤所占的体积可作为膨胀性消声器的膨胀腔， 滤清器的容积达到发动机容积的五倍以上，就能达到良好的消音效果，一般来 说 ，容 积 越大消音效果就越好 。但受前仓空间的限制，空滤不可能做的非常大，因此消音效果受到限制。空滤的滤芯是阻性消声器良好的吸声材料。 合理设计进气管道和气缸盖进气通道，减少进气系统内压力脉动的强度和气门通道处的涡流强度。 导流管 进气管探入空滤器本体内，配合空滤本体内气道设计来消除噪声。空气滤清器相当于一个扩张消音器，影响其传递损失的因素有两个：扩张比 m和滤清器的长度 L。扩张比越大越好，有两种办法提高扩张比：一是减小管道的尺寸，二是增加滤清器的截面积。减小管道尺寸会使得功率损失增加，而增加滤清器的截面积又受到安装空间的限制。将进入管和输出管插入到滤清器中也可以提高滤清器的传递损失。传递损失可以用以下公式来表达： 假设只考虑进入管插入即假设只考虑进入管插入即 这时的传递损失简化为：这时的传递损失简化为：管道插入后，传递损失增加，而且在某个频率处出现了一个峰值，当管道插入后，传递损失增加，而且在某个频率处出现了一个峰值，当时传递损失达到最大值，对应的频率为时传递损失达到最大值，对应的频率为 即即插入长度正好是波长的四分之一，也就是说进入管插入到滤清器中后，就相当于在系插入长度正好是波长的四分之一，也就是说进入管插入到滤清器中后，就相当于在系统中加入了一个四分之一波长管，利用这个插入管，就可以调节某些频率下的传递损统中加入了一个四分之一波长管，利用这个插入管，就可以调节某些频率下的传递损失。失。插入管大大地提高了插入损失，但是滤清器内有过滤网，这样插入长度往往受到限插入管大大地提高了插入损失，但是滤清器内有过滤网，这样插入长度往往受到限制。另一方面，插入管会带来较大的功率损失，其损失值比减小管道直径带来的损失制。另一方面，插入管会带来较大的功率损失，其损失值比减小管道直径带来的损失还要大。所以是否采用这种插入管，要权衡传递损失和功率损失。还要大。所以是否采用这种插入管，要权衡传递损失和功率损失。 一般来说，减小空滤进气管的截面积有显著的降噪效果； 增加进气管长度能够降低低速噪声，但同时中高速噪声会有较多的增大； 减小空滤出气管的面积，对进气噪声的降低效果不是很明显，反而影响到发动机的充气效率有较大波动； 2.1.2 引进消声措施。主要是增加赫尔姆兹消音器（谐振腔）和四分之一波长管。赫尔姆兹消音器一般是用来消除低频噪声，而四分之一波长管用来消除高频噪声。如果要用四分之一波长管来消除低频噪声，那么波长管必须做得很长，但是太长的管道很难安装。 这两种消音器的目的都是消除窄频带的噪声，但是赫尔姆兹消音器的消音频带比四分之一波长管要宽，所以赫尔姆兹消音器比四分之一波长管显得更重要。进气系统中，低频噪声成分往往非常大，而控制低频要采用赫尔姆兹消音器。所以在汽车设计初期，要尽可能地给进气系统留出较大空间，以便安装赫尔姆兹消音器，一般来讲赫尔姆兹消音器不能安装在空气滤清器上。谐振腔式消声器谐振频率计算公式 (如下图 )：其中： C-为空气中的音速L-接管长度S-接管平均断面积V-谐振腔的容积 f-谐振频率f= (C/2)*(S/(L*V) 1/2四分之一波长管四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子，如下面图所示。声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回到主管，某些频率的声波与主管中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，从而达到消音目的。 这个旁支管的传递损失为：式中 L是四分之一波长管的长度，而 m是主管截面积与波长管截面积的比值 当 （ n=1,2,3 ） 时， 传递损失达到最大 ,旁支管长为：四分之一波长管共振的频率为： 旁支管的频率只取决于管道的长度，管道越长，频率越低。从上式知道，影响四分之一波长管传递损失的参数有两个，一个是旁支管的截面积与主管截面积的比值 m， 另一个是波长管的长度。四分之一波长管的一端是开口的，一端是封闭的，在开口处的声波会象活塞一样运动，存在辐射声阻抗，因此管道的实际工作长度增加，需要对开口端进行修正。对四分之一波长管来说，主管的管壁相当于法兰，於是四分之一波长管的实际长度应该为： 式中 和 分 别 是 实际长 度和 计 算 长 度 ， 修正 频 率 为 ： 进气噪声的优化 进气噪声的测量及主观评价 噪声频谱分析 确定进气噪声产生的原因（多种） 布置谐振腔或 1/4波长管 样件准备及验证试验 布置确认及工装样件开发TURBO NOISE DAMPERDUCT WITH INTEGRATED RESONATOR OR WAVECOMPLETE LINE WITH RESONATOR & POROUS DUCT1、国外车型各种消声结构Admission line : filter & hosesASTRA : Diesel & Gasoline enginesFilterYaris Gasoline & DieselCorolla GasolineAvensis Gasoline & DieselVECTRA & SAAB 9.3 : Diesel & gasoline enginesFlexible elbowDecoupling elementClean air shellFilterDirty air shellFilter connectionFlexible elementResonatorOrificeExample Jaguar(美洲虎） X150 Air Induction systemShanghai GM L850 Air Induction SystemProd. Location : Shanghai, ChinaProcess : Snap fit designS.O.P. : 02/2006Annual Volume: 110,000 Integrated Plug-in MAF sensor2、目前我公司几款车型进气系统情况试验后布置两个谐振腔老状态 A21进气系统更改后增加布置两个谐振腔初期 A15(BMW)进气系统B11进气系统在参考原车时就设计有谐振腔B11及 B14进气系统谐振腔S11沿用 MATIZ进气系统 ,设计有谐振腔二、汽车 NVH随着汽车市场竞争的日益激烈和市场对汽车产品要求的日趋多样化，促使各整车和零部件企业的产品开发的周期越来越短。过去那种集整车和零部件开发于一体的开发方式已走向 越来越分工和专业化 。随着中国加入世贸组织， 零部件的全球采购 已成为可能，这不仅大大提升了零部件对整车开发的支持力，而且在向整车开发提供高质量零部件的同时也促使整车开发方式转变，整车开发已成为除车身结构的设计外，主要是零部件的 (结构 )整合和 (性能 )匹配 (标定 )行为。从一定意义上讲，整车开发已不在是单纯的结构设计和机构的实现，如何在取得优质零部件总成的基础上，整合匹配出满足法规和标准要求或最优的整车系统性能，已成为整车开发的核心。影响汽车乘坐和使用环境重要因素的振动噪声性能，作为重要的法规和竞争指标在当今产品竞争中体现的越来越举足轻重。在目前同档次车型在常规性能方面的综合性价比越来越接近且均已达到较高水平的情况下 , 提高车辆噪声控制水平已成为新的竞争焦点和技术发展方向 , 车辆的 NVH性能正逐渐演变为重要的设计指标 , 这也是用户所关心的整车性能指标之一。汽车噪声控制水平必将成为决定车型开发成功与否的不可或缺的重要因素之一。根据 1996年对欧洲汽车市场的调查，由于汽车的性能、质量等方面均已达到较高的水平，因此顾客对 乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于汽车款式 。对于中小型汽车，由于市场的激烈竞争使得汽车的重量、价格等因素被严格约束，这就使以改善汽车乘坐舒适性为目的的汽车 NVH特性的研究变得更加重要。由于对于汽车 NVH问题用户的感受是最直接和最表面的，在很大程度上反映出生产厂家的设计水平及工艺水平，因此它是汽车业各大整车制造企业和零部件企业重点关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有 1/3的故障问题 是和车辆的 NVH问题有关系，而各大公司有近 20%的研发费用 消耗在解决车辆的 NVH问题上。1.汽车的 NVH特性NNoise 噪声 )VVibration( 振动 )HHarshness 声振租糙度 )声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称 Harshness为 不平顺性 。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称 Harshness为 冲击特性 ，当汽车通过接缝或凸包时将产生瞬态振动，它包括冲击和缓冲两种感觉。系统刚度越大，车身瞬态振动的幅值越大，冲击越严重，同时固有频率增加使振动衰减变快，缓冲的效果变好。总的说来，声振粗糙度描述是振动和噪声共同产生的使人感到极度疲劳的感觉。简单地讲，乘员在汽车中的 一切触觉和听觉感受 都属于 NVH研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。从 NVH的观点来看，汽车是一个由 激励源 (发动机、变速器等 )、 振动传递器 (由悬挂系统和边接件组成 )和 噪声发射器 车身 )组成的系统。汽车 NVH特性的研究应该是以整车作为研究对象的，但由于汽车系统极为复杂，因此经常将它分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统 (主要包括前、后悬架系统 )、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一种工况下的 NVH特性。2. NVH分类研究及开发实例而对 NVH噪声定义、测量评价分析及噪声的控制往往是通过研究车外和车内的噪声振动情况来体现。车外 NVH噪声 影响车外噪声的主要有发动机噪声、冷却噪声、排气噪声、轮胎辐射噪声和排气系统的再生辐射噪声以及其他机械噪声。这些噪声一般在中高频范围内，由于车外噪声直接构成了对周围环境的污染排放，因此各国都有严格的限值和测试方法。加速行驶车外噪声 加速行驶车外噪声是对于整车噪声水平等综合评价，是汽车认证最重要的指标之一。各