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矿用载重自卸汽车驾驶室噪声分析及工程应用 摘要 汽车的噪声、振动与舒适性是衡量汽车制造质量的一个综合性指标，矿用 载重自卸车作为工程机械，其承载高，功率大，噪声与振动问题显著。2l 世纪， 绿色环保性能已成为工程机械文明生产的重要指标。因此，降低车内噪声、提 高乘坐舒适性成为工程机械产品开发的重要的环节。 本项目以国产某型矿用载重自卸车为研究对象，在总结矿用载重自卸汽车 驾驶室内噪声产生机理以及各噪声源特性的基础上，对其进气系统、排气系统、 驾驶室声学性能和发动机悬置系统等进行数值分析与试验研究，提出了可行的 噪声控制方法，验证了改进后模型的整体降噪效果。工程实施后，证明了降噪 措施的有效性，现已批量用于牛产实际，为该企业的产品品质提升做出了重要 贡献。 关键词：工程机械；矿用载重自卸汽车；发动机；噪声源；噪声控制 i n t e r i o rn o i s ea n a l y s i so fm i n i n gt r u c kc a b i na n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a b s t r a ct n o i s e ，v i b r a t i o na n dc o m f o r ti sac o m p r e h e n s i v ei n d i c a t o rf o rt h ea u t ( ) m o b i l e m a n u f - a c t u r i n gq u a l i t y m i n i n gt r u c k ， a s a h i g hl o a d a n dp o w e rc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y ，m a k en o i s ea n dv i b r a t i o np r o b l e m sw o r s e i nt h e21s t c e n “l r v ，t h e e n v i r o n m e n 亡a l p e r f - o r m a n c eh a sb e c o m e a n i m p o r t a n ti n d e xo ft h ec i v i l i z e d p r o d u c t i o n o fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y s o ， r e d u c i n g t h ei n t e r i o rn o i s ea n d i m p r o v i n gt h e r i d ec o m f o r ta l s ob e c o m ea v e r yi m p o r t a n td e s i g n l i n ko f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y t h i sp r o j e c tt a k e sat y p eo fd o m e s t i cm i n i n gt r u c ka so b j e c t ，s u m m a r i z e st h e g e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fi n t e r i o rn o i s ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sn o i s es o u r c e s f t ) rm i n i n gt r u c kc a b i n t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s e a r c ha r ec a r r i e do u tf o r t h ea i ri n t a k es y s t e m ， e x h a u s ts y s t e m s ，c a b i na c o u s t i c sa n dt h ee n g i n em o u n t s y s t e m ， e t c t h e nf b a s i b l en o i s ec o n t r 0 1m e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e da n dt h e o v e r a l ln o i s er e d u c t i o ne f 托c to ft h ei m p r o v e dm o d e lh a sb e e nv e “f i e d a f t e r p r o j e c tt r e a t m e n tp r a c t i c e ， t h ee f 如c t i v e n e s si sv a l i d a t e d n o w ，t h e s eme a s u r e s h a v eb e e nu s e df b rb a t c hp r o d u c t i o n ，w h i c hm a k eas i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o nt o q u a l i t ye n h a n c e m e n to ft h ec o m p a n y sp r o d u c t s k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ；m i n i n gt r u c k ；d i e s e le n g i n e ；n o i s es o u r c e s ； n o i s ec o n t r o l 致谢 暮春i 月，莺飞草长。在这乍暖还寒的季节，我的求学牛涯即将告一段落。 三年的读研岁月，校园里的路走过干百遍，看不厌的四季流转，春华秋实，夏 阳冬雪。感谢老师、朋友和同学，与你们的相遇、相处、相知的点点滴滴，让 我感慨、感动、感激。 求学三载，对我影响最大的是辛勤和蔼的导师陈剑教授。陈老师渊博的知 识、严谨的治学态度、敏锐的学术思想、以及积极进取的科研精神是我终生学 习的楷模。导师除了教我知识，更授予我如何做人做事做研究，听不厌的循循 善诱，语重心长。在生活上，陈老师也给予了我无微不至的关怀和帮助。在课 题研究过程中，陈老师以他独特的思考方式、丰富的实践经验，解决了我所遇 到的疑惑和难点，使我得以顺利完成硕士研究生阶段的学习和科研。值此论文 完成之际，谨向陈老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 共同的梦想牵动相同的热情，在噪声振动工程研究所的大家庭里，我们相 携相助、同学习共进步。在专业学习和生活上，江俊、郭付洋、张波、高海慧 等师兄师姐也给予了很大的帮助；论文的完成还得到其他许多热心的同学的指 导和帮助。在进排气系统分析章节中引用了郭艳茹、杨剑、朱江森同学的分析 结果；在动力总成建模分析过程中得到了王歆侃同学的指导：在驾驶室声学分 析方面得到了张学丘同学的指导；在试验分析方面得到了刘道修、袁正、张磊 等师弟的帮助。所内其他老师及同学也给我的学习和科研提出了许多宝贵的意 见，在此一并向他们表示感谢! 最后感谢我的父母、亲人和朋友，感谢他们这么多年来对我的支持和关怀， 正是他们无私的关爱和辛勤的付出，使我能在艰难的环境中迈出一一个又一个坚 实的步伐，谨在此寥寥数语聊表我的感激之情，拳拳之意，永藏于心。 作者：马燕 2 0 1 2 3 17 图 图 图 图 插图清单 卡特彼勒c a t 7 7 7 f 型及徐工集团d e l7 0 型矿用载重自卸汽车4 矿用载重自卸汽车噪声分类5 路试工况驾驶室噪声水平对比5 路试工况驾驶室振动水平对比6 图2 1 驾驶室内噪声来源7 图2 2 矿用载重自卸汽车的主要噪声源分布8 图2 3 发动机噪声的组成9 图2 4 柴油机燃烧过程示意图11 图2 5 燃烧噪声传播路径1 1 图3 1 信号的常用分类方法1 4 图3 2 噪声控制的流程1 6 图3 3 加速度传感器及传声器实物1 8 图3 4l m ss c a d a s 采集前端与t e s t l a b 分析系统1 9 图3 5 声场位置关系2 0 图3 6 混响室、半消声室和全消声室实物图2 0 图3 7 驾驶室部分测点布置2 2 图3 8 定置试验驾驶室内噪声水平2 3 图3 9 定置试验各测点噪声水平2 3 图3 1 0 路试试验驾驶室内噪声水平2 3 图3 1 1 路试试验驾驶室左前、右前悬置传递函数( 车速：2 0 k m h ) 2 4 图3 1 2 定置试验发动机各悬置z 方向隔振效果比较2 5 图3 1 3 定置试验发动机转速2 0 0 0 r p m 驾驶室噪声水平2 6 图3 1 4 定置试验发动机2 0 0 0 r p m 驾驶室噪声频谱2 6 图3 1 5 发动机扫描工况驾驶室噪声阶次谱2 7 图3 1 6 驾驶室噪声各主要阶次占比例分析跟踪阶比谱2 8 图3 1 7 驾驶室噪声与各噪声源互谱2 8 图3 。1 8 加速匀速过程驾驶室噪声时频图2 9 图3 1 9 车速2 0 k m h 时的风扇与右耳的噪声时频图2 9 图3 2 0 进、排气系统拆装试验右耳噪声水平变化2 9 图4 1 进排气消声器静态试验现场31 图4 2 排气消声器静态试验各测点声压级3 2 图4 3 进气滤清器静态试验进、出口测点频谱3 2 图4 4 排气消声器静态试验进、出口测点频谱3 2 图4 5 进气滤清器传递损失曲线3 3 v i i 图4 6 排气消声器传递损失曲线3 3 图4 7 进排气系统静态试验现场3 4 图4 8 进气系统空腔声学网格模型3 4 图4 9 进气系统f _ 9 0 h z 声压云图3 5 图4 一1 0 进气系统传递损失仿真分析结果3 5 图4 1 l 排气消声器内部结构实物图3 6 图4 12 排气系统空腔声学网格模型3 6 图4 13 排气系统f _ 1 0 0 h z 声压云图3 6 图4 14 排气系统f - 3 2 0 h z 声压云图3 6 图4 15 排气系统传递损失仿真分析与试验分析结果对比图3 7 图4 1 6 矿用载重自卸汽车驾驶窒c a d 模型3 7 图4 17 驾驶室结构白车身有限元模型38 图4 18 结构模态振型4 0 图4 1 9 声学边界元模型4 1 图4 2 0 驾驶室空腔声模态振型4 2 图4 2 l 驾驶室右门声泄漏水平示意图4 3 图4 2 2 悬置动态刚度测量原理图4 4 图4 2 3 悬置橡胶参数试验现场4 4 图4 2 4 前、后悬置z 向的力与位移关系4 5 图4 2 5 前悬置轴向动刚度曲线及损耗因子曲线4 5 图4 2 6 前悬置径向动刚度曲线及损耗因子曲线4 6 图4 2 7 动力总成悬置系统模型4 6 图4 2 8 动力总成悬置系统模态振型及描述4 8 图4 2 9 优化前、后悬置系统绕x 方向振型对比图5 0 图4 3 0 动力总成悬置系统侧倾方向的振动传递率5 0 图5 1 进气系统改进方案5 4 图5 2 进气系统改进后f - 9 0 h z 时声压云图5 4 图5 3 进气系统改进前后传递损失对比图5 4 图5 4 排气消声器安装位置图5 5 图5 5 风扇安装位置及风扇吸气侧5 5 图5 6 国产车与标杆车驾驶室顶棚振动水平5 6 图5 7 改进后定置试验驾驶室噪声水平5 6 图5 8 改进后路试试验驾驶室噪声水平5 7 图5 9 改进前后发动机左前悬置隔振水平对比5 7 图5 1 0 改进前后发动机右前悬置隔振水平对比5 7 图5 1 1 驾驶室声泄露水平测试现场5 8 图5 12 图5 13 图5 一l4 图5 15 图5 16 图5 17 图5 18 图5 19 图5 2 0 图5 2l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 2 8 图5 2 9 吸隔声屏安装图5 8 车门内装饰改进5 9 集气箱改进后的安装图5 9 进气系统改进效果对比5 9 进气系统改进前后发动机2 0 0 0 r p m 进气口噪声频谱6 0 排气系统改进效果对比6 0 车斗顶棚改进结构实物对比6 0 改进前后车斗顶棚振动水平对比6 1 定置驾驶室噪声水平对比6 1 路试驾驶室噪声水平对比6 2 发动机左前悬置隔振率调整效果对比6 2 进气系统调整方案6 3 进气系统调整后仁9 0 h z 时声压云图6 3 进气系统调整后传递损失曲线对比图6 3 进气系统调整后安装图6 4 进气系统调整前后噪声水平对比6 4 排气系统调整前后噪声水平对比6 4 冷却系统改进方案6 5 i x 表格清单 表1 1 噪声性耳聋发病率统计表1 表1 - 2 部分人体部位的共振频率2 表l 一3 工程机械驾驶室噪声限值变化对比3 表1 4 矿用载重自卸汽车部分参数5 表2 一lq s k l 9 型发动机技术参数8 表3 1 常用的传播途径噪声控制措施1 7 表3 2 几种防声用具的效果l7 表3 3 传声器及加速度计的相关参数1 9 表3 4 定置试验工况选择2 2 表3 5 路试试验测试工况选择2 2 表3 6 路试试验驾驶室各悬置点z 向振动加速度传递特性2 4 表3 7 定置试验发动机各悬置点z 向振动加速度传递特性2 5 表4 1 定置试验驾驶室噪声优势频率统计表3 3 表4 2 网格质量控制标准3 8 表4 3 白车身结构网格模型基本参数3 8 表4 4 结构模态频率及振型描述4 0 表4 5 驾驶室空腔声模态频率及其振型描述4 2 表4 。6 动力总成的惯性参数( 单位：k g m 2 ) 4 6 表4 7 悬置的位置坐标( 单位：m m ) 4 6 表4 8 悬置的刚度值( 单位：n m m ) 4 7 表4 9 悬置系统振动频率与能量分布4 7 表4 1 0 优化前后前悬置刚度值( 单位：n m m ) 4 9 表4 1 1 优化后悬置系统的固有频率及主振型4 9 表4 1 2 优化后悬置系统能量的分布4 9 表5 1 驾驶平台关键部件改进措施5 2 表5 2 驾驶室内改进措施5 3 表5 3 驾驶室门窗密封改进前后声泄露对比5 8 x 第一章绪论 1 1 工程机械噪声振动控制的重要意义 概括起来，工程机械是用于工程施工作业的各类机械设备的总称。现阶段， 工程机械正向着大功率高转速方向发展，其噪声振动问题变得更突出。随着人 们对以噪声振动为代表的车辆乘坐舒适性要求的提高，降低工程机械噪声振动 的要求已是大势所趋，也是产品升级的重要途径之一【l j 。 工程机械的噪声一方面造成机外的环境污染，另一方面影响驾驶室内的操 作者。驾驶室噪声对操作者生理、心理的影响较为显著。 听觉系统是受噪声影响的最大的系统。噪声会导致人听力下降、听：觉疲劳， 甚至持久性听力损失和爆发性耳聋等。研究表明：9 4 d b f a ) 的连续噪声或10 5 d b ( a ) 的断续噪声都可以引起耳聋。表1 一l 为在不同噪声级下4 0 年工龄患噪声 耳聋的发病率统计结果。可见，噪声水平在8 5d b ( a ) 以上的噪声会导致约2 1 的人患噪声性耳聋。 表1 一l 噪声性耳聋发病率统计表 噪声性耳聋的发病率 噪声级d b ( a ) 国际标准化组织( i s o ) 统计结果美国统计结果 8 000 8 51 08 9 02 l18 9 52 92 8 1 0 04 l4 0 研究发现：噪声环境下，人容易产生焦虑、烦躁等不愉快的情绪；超过8 5 d b ( a ) 的噪声，还会使人出现中枢神经功能障碍，表现为头痛、恶心、心悸、 惊慌、神经过敏、记忆力减退等症状：噪声还可能引起肠胃机能下降、呼吸频 率加快、呼吸加深、降低眼对比度光的敏感性等 2 】。 噪声又源于振动。若工程机械驾驶室的振动水平超过限值，不仅难以保证 零部件的可靠性和寿命，而且会对周围环境产生噪声污染，进而威胁驾驶员身 心健康。振动本身也会对人体心里和生理功能、工作能力产生影响，尤其是人 体“胸一腹”系统。资料显示：“胸腹”系统对3 8 h z 频率范围内的振动有明显 共振响应，因此要注意避免该频段振动能量的影响。1 7 2 5 h z 频率范围内的振 动会使人感到头晕，是由于头部产生共振。“下颚一头盖骨”系统的共振频率在 10 0 2 0 0 h z 范围内，如表1 2 列举了部分人体部位的共振频率。 表1 2 部分人体部位的共振频率 部位 频率h z部位 频率h z 全身 6胸腔 2 1 2 腹腔 8头部 1 7 2 5 随着工程机械行业现代化程度的提高，以低噪声水平为代表的乘坐舒适性 将会是工程机械的一大卖点；世界各国的工程机械生产厂家也耗巨资进行工程 机械振动噪声控制的研究，以提高其产品的噪声振动水平，增强市场竞争力j 。 因此，在工程机械行业大发展的前提下，无论是从保护劳动者健康还是提 高工程机械产品的水平，限制和降低工程机械噪声振动都具有重要意二廷；同时， 未来工程机械噪声振动控制水平将会是其市场竞争力提高的重要突破点之一。 1 2 工程机械噪声振动控制现状 工程机械的使用提高了工程施工的效率，降低了工人的劳动强度，同时也 打破了城市的安静。在工程机械噪声振动问题己被全球共同关注的背景下，各 国家对工程机械的噪声振动控制上都做出了积极的努力，但控制技术发展程度 各不相同，限制标准的制定及立法也有所差异。 早在2 0 世纪7 0 年代，世界上最大的工程机械和矿山设备生产厂家一美国 c a t e r p i l l a r 公司就开始重视工程机械噪声控制，并进行了驾驶室隔声设计研究， 保证了其生产的工程机械驾驶室内的噪声均在8 0d b ( a ) 以下。8 0 年代，美国开 始了车内噪声特性预测的研究，并建立了结构声学耦合的有限元模型，为车内 噪声预测分析打下良好基础。 2 0 世纪9 0 年代，日本就对工程机械噪声的研究非常重视，在气动噪声研 究方面做了很多工作，并将最新成果应用在工程机械上。 可见国外对工程机械噪声振动控制的研究成果丰硕，而国内对该领域的研 究较晚。近年来，我国工程机械的噪声控制也有了重大突破，各大工程机械生 产厂家纷纷与科研院所合作。中国一拖公司生产的w y 2 2 l c 液压挖掘机，经国 家工程机械质量监督检测中心检试，车内噪声为7 5 8d b ( a ) ，该数值己接近国 外挖掘机噪声控制的先进水平；2 0 10 年，合肥工业大学与三一重机有限公司联 合成立工程机械噪声振动工程研究所合作开发低噪声产品。 除了驾驶室振动噪声研究，近几年来，国内外对车外噪声的分析研究也逐 渐重视起来p j 。 工程机械噪声振动限值标准最能反映一个国家在该领域的实力。西方发达 国家出于对环境和人的健康的保护，制定的工程机械噪声限值一直在下降。19 9 7 年，欧洲修订的工程机械噪声限值标准比原标准下降4 d b ( a ) ，其中规定功率为 1 5 4 k w 的发动机的噪声声功率限值不得大于10 7 d b ( a ) ，比我国现行国家标准规 定低1 1d b ( a ) 。2 0 0 2 年1 月，欧洲标准进一步修改，在旧标准基础上又下降 3 d b ( a ) 。日本19 9 7 年实施的最低噪声限值标准比19 9 7 年欧洲标准更加严格， 其中规定发动机功率大于10 5 k w 时，最大噪声不得大于1 0 6 d b ( a ) 。 我围于1 9 9 6 年颁布了g b16 7 10 1 19 9 6 工程机械噪声限值强制性国家 标准，此后又对该标准及噪声试验方法g b l6 7 10 2 一g b l6 7 l0 5 19 9 6 等标准进 行了修订，并于2 0 12 年1 月1 日开始实行。表1 3 工程机械驾驶室噪声限值变 化对比。 表l 一3 工程机械驾驶室噪声限值变化对比 适用机器类型发射声功率级限值d b ( a ) g b l 6 7 l o 一2 0 1 0 g b l 6 7 1 0 1 g b l 6 7 1 0 2 0 1 0 g b l 6 7 1 0 1 1 9 9 62 01 2 。0 卜0 l 实施2 0 1 5 0 1 一ol 实施 一1 9 9 6 履带式挖掘机 挖掘机8 38 09 2 轮胎式装载机、轮胎式推土机、 8 98 69 2 轮胎式推土机、轮胎式装载机、 铲运机、轮胎式挖掘装载机 吊管机、轮胎式 挖掘机、压路机 平地机g b t14 7 8 2 8 88 59 0 1 9 9 3 平地机技术 条件 轮胎式回填压实9 18 8 机 履带式推土机、履带式推土机、 9 59 2 9 7 履带式装载机、履带式装载机 履带挖掘装载 机、履带吊管机 压路机( 振动、 g b t 1 3 3 2 2 0 0 5 9 08 79 2 9 4 振荡) 压路机通用要求 自卸车 q c t 2 0 3 19 9 5 8 58 2 8 5 从表中可见，我国新修订标准对工程机械驾驶员位置处噪声限值要求也愈 来愈严格。新标准分两个时间阶段实施，噪声限值呈现递减趋势，且比旧标准 平均降低6 d b ( a ) ；第一阶段噪声限值与旧标准相比，挖掘机降低最多是9 d b ( a 1 ， 矿用载重自卸汽车噪声限值未变；第二阶段实施的各工程机械的噪声限值又减 小3 d b ( a ) hj 。因此，世界各国工程机械噪声排放限值呈限下降趋势【2 。 不难发现，美国及欧盟国家对工程机械的噪声限值的规定比我国规定更加 严格，这源于我国在工程机械噪声排放、振动控制等方面的水平存在着较大的 差距。虽然我国目前已成为工程机械制造大国，但由于该瓶颈的制约，导致产 难以批”进入发达家f i 场，还，i 能称j 为l 2 科机械制造强【k 1 3 课题来源及研究目标 矿f j 钱霞 l 卸汽1 ：足种怍公路用薮，弘 ，| 卸1 i ，载霞吨位般超过5 0 t 。 j 二j c 钉绒i 嚣 _ f i ：人、机动父；n 运营成术低臀优点，破广泛f 逆川j ：冶金矿l l j 、 蒜人煤矿、水利f l ! 力建i 殳i ：地等敞装物料运输场合卜】。 | 1 前，矿玎j 载眼i 。 卸汽4 ：的乍产j 家，外i i 璎有k 特彼勒，小松德浆赛， 利勃海尔等。【q 内矿川城i 珏 ，1 卸汽 i 发腱虽然较晚( 8 0 年代中期) ，f j _ l 也仃几 个颇jl 规模的牛产j 家：北片i 币：犁汽1 ii 驯造厂，北力t 型汽车有限责仟公i i j 等。 9 0 年代以术，【蚓内! i 产j 家也开始研制具仃知谚 产权的矿j j 载匿1 1 卸汽i ，如 北j 泛汀钢艰，魁汽午制造j 研制，h ：的s g a 3 5 5 0 型矿用载暇自卸1 i j 、 o 一霞 机仃限责仟公j j 牛产的s r t 3 3 ( ：、s r t 5 5 c 、s r t 9 5 型矿用载重f i 卸1 i 。此外， 徐f ：集例 台d el7 0 电传动f i 卸车也j 二2 01 1 年9jj 柱：徐i ：研究院卜线。 捌有关调查显示：l9 9 6 年令【吲仪冶金部所属蘑点矿山征用矿j 1 j 载i 爱 卸汽 乍的数龄约2 0 0 0 辆，并j _ 每年， ，均；器更新l12 台4 0 t 级矿用载运自卸汽， i 。矿 f f j 载重r j 卸汽4 i 的需求硅也住逐年递增。随着闷家雨人i ：程的1 i 断实施以及对 矿产资源需求的增加，矿用载重自卸汽车行业将获得前所未有的发展【7 儿8 l 。 i 到1 1k 特彼勒c a t 7 7 7 f 型及徐i ：集团d el7 0 登! 矿 j 载重f 卸汽1 i 根据矿j j 载匝自卸汽车噪j 苦影响对象的彳im ，【】丁分为驾驶室内噪声和乍外 辐射噪声；按照整 ， i 测试办法i 同，又町以分为乍辆定置噪声、匀速行驶噪声、 变速行驶噪卢和制动噪，苦；1 i 辆定簧噪芦i 义町_ f j = 细分为发动机匀迷噪声、加速 噪? i 和减速噪声，如劁l 一2 所_ j 。 r 、 “1 。 i ，。f 。、l 广1 1 【篓篓竺皇，1 j + ”h w 。、 ”t j ：j 进”萼堂域，j ； ，一 三受： 至豳 勺运 j 碱峨一：- li 犍，0 戳秘；趋嘲，。- ，_qhq“_p+1 。、一；，一 f l 兰鲨划 一竺竖兰竺j 膝翮匿赢丽 j 。，。，一 r 。”。_ 1 锚，番辑一* 图1 2 矿用载重自卸汽车噪声分类 本文的研究对象是国内某工程机械生产厂家生产的一款矿用自卸汽车，部 分参数如表1 4 。 表1 4 矿用载重自卸汽车部分参数 额定功率 5 2 2 k w样车颜色黄 发动机型号 q s k l 9额定转速2 1 0 0r p 硼 变速箱型号 a u i s o nh 6 6 1 0 a r 档位状况前6 倒2 1 3 1 课题来源 受国内某大型工程机械生产企业的委托，对某款矿用载重自卸汽车开展噪 声控制工程治理工作。该车驾驶员反映，驾驶室内噪声过大、驾驶过程中耳膜 有压痛感的问题，本文将针对这一主要问题开展研究工作。 根据标准q c t2 0 3 1 9 9 5 矿用自卸汽车驾驶室噪声测量方法及限值，首 先开展对项目车型驾驶室的噪声振动水平摸底测试，并与相同吨位及功率的进 口标杆车进行对比，结果显示：驾驶室噪声超过8 5 d b ( a ) ，未达到标准规定 的限值水平，这将直接影响驾驶员驾驶舒适度及其市场竞争力。 图1 3 路试工况驾驶室噪声水平对比 图1 4 路试：_ ：l = = 况驾驶室振动水平对比 矿用载重自卸汽车驾驶室噪声振动值过大，不仅加大了操作者的劳动强度， 而且对周围环境也产生严重威胁。2 1 世纪的文明生产，必须坚持以人为本，加 大对工程机械振动与噪声的治理。因此，工程机械产品开发过程中必须考虑驾 驶室噪声振动及其乘坐舒适性 。 1 3 2 课题研究目标 项目组结合了国内外矿用载重白卸汽车驾驶室噪声振动测试结果，分析了 厂家提供的项目车型资料，最终制定降噪要求如下： ( 1 ) 通过对至少三台该型矿用载重自卸汽车测试，确定其驾驶室噪声水平， 测试标准按照q c t 2 3 0 1 9 9 5 p 川； ( 2 ) 通过噪声源识别试验研究、零部件声学性能试验与仿真分析，提出并 实施降噪措施，使项目车型驾驶室噪声在现有水平上降至8 2 分贝； ( 3 ) 改善驾驶室振动水平，使操作者乘坐更舒适。 1 4 本章小结 介绍了工程机械噪声振动控制的必要性、国内外研究现状并找出：存在的差 距：最后说明了矿用载重自卸汽车驾驶室减振降噪课题来源。 第二章矿用载重自卸汽车驾驶室主要噪声振动源分析 矿用载重自卸汽车是个复杂的组合式噪声源，即是汽车又是工程机械，即 具有一般汽车的发动机噪声、底盘噪声、车身噪声等，又具有工程机械所特有 的噪声，如液压系统的主泵、主阀在工作时产牛噪声及工作装置与工作对象撞 击噪声等，掌握这些噪声源的机理及其特性，有助于对驾驶室噪声振动的研究。 2 1 驾驶室噪声振动产生机理 驾驶室内丰要噪声源有：发动机噪声、冷却系统噪声、进排气系统噪声、 轮胎路面噪声等 。这些噪声通过空气转播到驾驶室内，与车身部件振动辐射 的噪声一起在车内空间形成较为复杂的混响声场，即车内噪声，如图2 一l 。 图2 1 驾驶室内噪声来源 因此，根据传播方式的不同，车内噪声丰要分为：结构声和空气声。结构 声通过车身结构振动传播的，也包括：驾驶室各表面在小振幅、高频率的振动 产生的车内噪声及由声激励结构振动而产牛的二次辐射声。空气声是指通过驾 驶室壁板门窗缝隙、空调及通风管道等透射的发动机、传动系统噪声以及风噪 声、外部环境噪声等 1 2 】。由于矿用载重自卸汽车的车速一般在5 0 k m 1 1 以下， 常用车速为3 0 k m h 以下，因此，其运行中车身与空气之间的冲击和摩擦产生 的空气动力学噪声所占比例较小。驾驶室封包设计是控制车内空气声的有效方 法 13 1 。 另外，路面激励、发动机及传动系统振动等是驾驶室振动的主要来源，并 间接带来驾驶员座椅的振动，作用在人体。当这种振动频率和幅值达到一定数 值时，同样会带来不利影响。良好的悬置隔振系统设计是解决该问题的有效手 段。 最后，当外界振动激振频率或声激励频率接近车厢声空腔固有频率时，其 内部空腔会产生气压脉动，使得车内噪声增大。 2 2 矿用载重自卸汽车主要噪声源分析 矿用载重自卸汽车行驶过程。 一，其驾驶盔噪声源较多，发动机及其附件噪 声占丰要部分，其次是液苄系统噪声、风噪声及车j p 振动辐射噪声等。研究其 噪声源4 i 仪要研究各单个声源，而h 要研究他们的传播途径与贡献量，以分清 噪声源的丰- 次和性质。 图2 2 矿川载重白卸汽午的主要噪声源分布 2 2 1 发动机噪声 项目车型采用康明斯q s k l9 型发动机，该型发动机采用涡轮增压和中冷技 术，具体参数如表2 1 。 表2 1q s k l 9 型发动机技术参数 形式 直列式 缸数6冲程数 4 排量18 9 升缸径l5 9 毫米行程l5 9 毫米 重量19 3 2 千克额定功：孳5 5 2 千瓦额定转速2 2 0 0 转分 发动机是汽车的动力源，其结构之复杂，运动零部件之多必然会使其成为 一个频率成分较复杂的声源 1 4 1 。， 概括起来，发动机在运转时，根据其产牛噪声的部位及性质大致呵分为： 气动噪声和表面噪声，如图2 3 所示 1 5 1 。 c 游曲j 噪声表黼噤瘁 f 谯筱辅瓣， f f l 内燃揽农磷：踅控辐射瞬) i 图2 3 发动机噪声的组成 机体表面和油底壳是辐射表面噪声最主要的位置，其次是缸头和缸盖罩等。 进气噪声、排气噪声及风扇噪声是气动噪声的重要组成 1 6 。 ( 1 ) 排气噪声 发动机的做功冲程结束时，气缸中的废气仍保持较高的压力和温度。当排 气门开启时，高温高压的废气将以脉冲形式迅速经排气口高速冲入排气管或大 气，形成排气噪声。在排气噪声频谱中，噪声成分较多，能量主要集中在发动 机发火频率的基频及其2 3 次谐波。其主要来源有下面几种【” ： 周期性的低频气流脉动噪声。其主要频率成分为： z 瑚茜 2 - 1 ) 式中：，z 一一发动机转速，r m i n ； ：一一气缸数目； f 一一冲程系数，四冲程t = 2 ； 尼一一谐波系数，k = 1 ，2 ，3 ， 气柱共振噪声。将排气管视为一端封闭，则气柱共振频率 六= ( 2 七一1 ) 4 ， ( 2 2 ) c 02c ，“ 式中：，一一共振气柱长度，m ；多缸机时，1 为平均长度： 一一排气管中的有限波传播速度，m s ； c 一一排气管中的声速，m s ； “一一气流速度，m s ，当气流与声速方向一致时，u 为正号，反之取负； 尼一一谐波系数，k = 1 ，2 ，3 ， 亥姆霍兹共振噪声、排气系统再生噪声等也属于排气噪声。排气消声器是 改善和降低排气噪声的有效措施。同时，良好的排气系统密封性，可以避免漏 9 。图、，!冒jj-，冈邕。阂 气噪声的产生。 ( 2 ) 进气噪声 进气压力波动就形成了进气噪声。它主要包括三种成分：进气脉动噪声、 空气柱共振噪声和涡流噪声。 进气噪声频谱中，其主要能量也是以发动机发火频率为基频： f ：旦三( 2 3 ) “ 6 0彳 式中：，z 一一发动机转速，r m i n ； z 一一气缸数目； f 一一冲程系数，四冲程t = 2 。 与排气系统噪声频谱的主要峰值类似，进气噪声频谱峰值主要是在基频和 2 f l 、3 f i 的高次谐波频率处。发动机转速升高时，进气口处空气脉动的强度和 频率就会提高，进气噪声频率也随之提高。研究表明：进气噪声受发动机负载 影响较小 17 1 。 ( 3 ) 风扇噪声 发动机冷却系统通常采用低压轴流式风扇，风冷发动机的风扇噪声( 及整 机噪声) 要比水冷机大，且可能成为主要噪声源。 风扇噪声可分为18 ：旋转噪声、宽带噪声。 旋转噪声主要源自旋转叶片周期性地切割空气形成的空气压力脉动。当叶 片等间隔分布时，其噪声基频为风扇的转速和叶片数的乘积，即 = 甩z 6 0 ( 2 4 ) 式中：甩一一风扇转速，r m i n ： z 一为风扇叶片数。 不等间隔布置风扇叶片可以有效降低旋转噪声。 宽带噪声源于作用在叶片上的随机脉动力，它包括紊流噪声、旋涡脱流噪 声等。 其中，旋涡脱流噪声是风扇周围空气因涡流的形成和分裂而产生的涡流噪 声 19 1 。 风扇转速对噪声影响显著，同一台风扇，声功率与转速的五次方成正比。 转速增加一倍，声功率级增加1 5 d b ( a ) 18 1 。发动机高转速时，风扇噪声往往 会超过进排气噪声，成为最主要的噪声源。另外，当风扇进气侧流场内有障碍 物或者导流不合理时，也会增大风扇噪声。 ( 4 ) 燃烧噪声 顾名思义，发动机燃烧噪声直接与燃烧过程是相关，研究表吲” ：直接影 响内燃机的振动和噪声的燃烧过程是在气缸中气体压力和温度急剧增：如急燃期 ( b c 段) ，如图2 4 所示。把这种周期性压力变化引起的发动机表面结构振动 i o 辐射出的噪声称为燃烧噪声。 审( 。) ( c a ) 图2 4 柴油机燃烧过程示意图 燃烧噪声的传播途径也较复杂，图2 5 给出了内燃机燃烧噪声传播的途径。 可见，燃烧噪声主要经由气缸盖及曲柄连杆机构分别向气缸体的上、下部向外 辐射。 图2 - 5 燃烧噪声传播路径 同时，燃烧噪声是复杂的，其与很多因素有关，如燃烧室结构形式、供油 系统参数、燃料成分组成、运转工况及增压器等。 f 5 ) 机械噪声 机械噪声是指发动机内部各运动零、部件在运转过程中，受气体压力和运 动惯性力的周期变化所引起的振动或相互冲击而产生的。其中最为严重的有以 下几种：曲柄一连杆活塞机构噪声、配气机构噪声、齿轮噪声及其他机械噪声。 曲柄一连杆活塞机构噪声；机构的各零件之问，为了维持正常运转，都 留有定间隙。研究表明：活塞拍击通常是柴油发动机机械噪声的主要来源， 其随发动机转速的升高而增加，也随涡轮增压而增加。通常是通过减少活塞和 气缸套之间的间隙来控制噪声1 2 ”j 。 配气机构噪声；总体而言，配气机构噪声在低速和中速发动机中，一 般并不突出。其一般分布在低中频率范围内，它的频率成分可由下式决定列： ，：尼尘! 丝f 胁) ( 2 6 ) 6 0 f 式中：尼一一谐波次数，k = 1 ，2 ，3 ，； 咒一一发动机转速，r m i n ； 三一一气缸数； m 一一每一个气缸不同时工作的气门数； 丁一一冲程系数，四冲程r = 2 。 配齐机构噪声主要是经过气缸盖及气缸盖罩向周围辐射的，仪小部分是传 给气缸体的，对发动机基座振动几乎没有影响。 传动齿轮噪声源于齿轮啮合过程中齿与齿之间的撞击和摩擦。在发动 机运转时，齿轮上承受着交变的负荷，再加上齿轮本身的各种误差及曲轴系统 如产生扭转变形破坏了齿轮的正常啮合状态，使这种动态载荷更加严厉，当传 递到壳体后，便激发出噪声振动。 其他机械噪声：发动机附加的若干种机械装置，诸如喷油泵、压气机、 发电机、水泵等，它们的运转时同样会产生机械噪声。 以上讨论不难看出，发动机噪声形成机制多样，传播路径复杂。在进行发 动机噪声振动治理时，首先要对发动机运行时的噪声源进行识别，找出发动机 噪声中贡献最大的因素；再采取经济合理的措施，才能较好的解决问题。 2 2 2 液压元件噪声 泵、阀等液压元件噪声也是工程机械的重要噪声源。在液压系统中，泵不 仅直接辐射出大量的声功率，而且其振动也会引起其他附件产生噪声 。阀噪 声主要来自阀芯振动和压力油溢流。 ( 1 ) 泵噪声；泵工作时，其容积排量的变化形成周期性的压力脉动和结构 振动，并辐射噪声。这种周期性脉动的频率也就是其辐射噪声的频率。在数值 上，其等于泵每秒转数与输油构件数的乘积 i 9 ： 厂n 竺舷 ( 2 7 ) “一 6 0 式中：p 一一输油频率及其谐波频率，h z ； ，z 一一泵转速，r m i n ； 一一谐波次数，h = 1 ，2 ，3 ，： z 一一泵工作构件数； 这些噪声频率若与液压系统中其他零部件固有频率接近时，会发牛共振现 象，辐射噪声也会增强。相关研究表明：泵油压脉动、泵壳振动以及其辐射噪 声之间关系密切。 ( 2 ) 阀噪声；液压系统的阀用途不一，或控制流体的流动方向，或调节流 量或压力，这些阀是液压系统的又一重要噪声源。 阀噪声一般可分为：高速喷流噪声、白激振动噪声、共振噪声等。 2 2 3 其他噪声 除上述噪声源外，工程机械噪声还包括：工作装置与工作对象之间的撞击 噪声、制动噪声等，这些噪声并不是主要的噪声因素。 2 3 本章小结 介绍了矿用载重自卸汽车驾驶室噪声振动的产生的机理，并且详细分析了 其主要噪声源的产生和辐射特性，为矿用载重自卸汽车驾驶室噪声振动控制打 下基础。 第三章噪声振动源识别与测试技术 根据前文对矿用载重自卸汽车驾驶室噪声振动的丰要来源及其传播特性的 分析，可谓源具有多样性，途径具有复杂性。因此，必须运用先进的噪声振动 识别技术，有效的辨识出丰要噪声振动源，才能有效的对噪声振动源加以控制。 3 1 噪声源及其识别 噪声源就是向外辐射噪声的物体，其分类方法较多。根据噪声强度的时间 特性不同，可分为稳态噪声、周期噪声和冲击噪声。根据激励特性不同，噪声 又可分为流体动力性噪声、机械性噪声和电磁噪声。 3 1 1 噪声源识别方法 噪声源识别的目的是为了找出影响目标