（车辆工程专业论文）单缸汽油机振动噪声的分析和控制.pdf

中文摘要 摘要 随着车辆相关法律法规愈来愈严格，以及人们对汽车乘座的舒适性要求越来 越高，有关车辆发动机的噪声、振动和行驶平顺性( n 、，h ) 的研究愈来愈受到人们的 重视。工业、交通的发展和社会进步，对作为主要原动力的发动机的噪声问题提 出了越来越高的要求。噪声己经成为评价发动机性能的一项重要指标。开展对发 动机噪声分析及控制研究有着重要意义。 本文以j l l 2 5 单缸汽油机本体噪声为主要研究对象，采用实验与理论分析相 结合的方法，主要通过丹麦b & k 振动噪声测试系统对汽油机的振动噪声进行试验 研究。运用声强测量技术进行了噪声源识别，确定了该汽油机噪声的主要来源是 进、排气噪声，发动机缸体次之。运用分别运行法进行了噪声分离试验，得出在 低转速时燃烧噪声为主要噪声，在高转速下活塞敲击噪声在汽油机总体噪声中占 主导地位。进行汽油机本体噪声的振动噪声测试试验，确定了主要噪声源的各组 成部分声能量的大小，对活塞敲击噪声、配气机构噪声和初级齿轮噪声进行噪声 的频率特性和相应的振动信号分析，分析得出：发动机低转速时，气门间隙敲击 噪声是配气机构主要噪声源，发动机高转速时，气门落座时撞击噪声是配气机构 主要噪声源；气门加速度和缸体加速度的频率信号呈现出很强的规律性，能量主 要集中在低频范围的几个特定的频率处；初级齿轮机构引起的噪声随扭矩增加而 增大，从加速度频谱可以看出齿轮加宽、变位系数修改和提高加工精度对降低初 级齿轮的振动和噪声有明显的作用。并对机械主要噪声源的控制原理进行了研究， 简要分析和研究了机体的表面辐射噪声。 关键词：汽油机，噪声，测试，噪声源识别，声功率，频谱分析 墨奎塑茎 a b s t r a c t d u et ot h en l o l s t r i n g e n tl e g i s l a t i o mo fv e h i c l en o i s ea n de m i s s i o n 雒w e l la st h e i n c r e a s i n ge x p e c t a t i o nb yt h ec o l l t s u m c r s ，r e s e a r c h e s o l lt h en o i s e ，v i b r a t i o na n d h a r s h n e s s ( n v i - i ) h a v eb e c o m em o r e ：i m p o r t a n ti nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r ya n di r a n s p o r t a t i o n , e n g j i l c t $ n o i s ea n dv i b r a t i o nh a v eb e c o m em o l ec r i t i c a l n o i s ei n d e xi s 缸i m p o r t a n ta s p e c ti ne v a l u a t i n ge n g i n e sp e r f o r m a n c e i t si m p o r t a n tt o a n a l y s i sa n dc o n t r o lt h ee n g i n en o i s et o d a y b yi n t e g r a t i n go fe x p e r i m e n ta n dt h e o r ya n a l y s i s ，t h ev i b r n t i o na n dn o i s eo fs i n g l e - c y l i n d e r g a s o l i n ee n g i a eo fj l l 2 5a mt e s t e db ya p p l y i n gt h ev i b r a t i o nn o i s et e s td c v i o fb & k t h en o i s e s o l l l c ei si d e n t i f i e db yu s i n gm 剐埘n g3 0 u n di n m m t yt e e t m i q u e i ti n d i c a t 8t h a ti a c l u e t i o nl a o i s e a n de x h a u s tn o i s e 辨t h em a i ns o u l c l ：t h ec y l i n d e r b o d yi ss e c o n d t h es e p a r a t et e s to f n o i s ei sd o n e w i i hm e t h o do f i n d i v i d u a lo p e r a t i n g i to b t a i n st h a tt h eb u r n e rn o i s ei st h em a i np a r tw h e ne n g i n ci s a tl o ws p e e d ；w h e r e a st h ep i s t o ns l a p sn o i s ei sd o m i n a n tw h e nt h ee n g i n ei sa tt h eh i g hs p e e d t h e e x p c r i m e n to fn o 碡a n dv i b r a t i o nf o rg a s o l i n eb o d yn o i s ei sd o n e ，如dt h es o u n d 口苫yo f e a c h n o i s es o u l i so b t a i n e d t h ea n a l y s i so ff r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n dv l l n - a t i o ns i g n a lo ft h en o i s e f o rp j 曲。ns l a p an o i s e , v a l v et r a i nn o i s ea n dp r i m a r yg e a rn o i s ei sr e s e a r c h e d i ti n d i c a t e st h a ti t o b t a i n st h a tt h es l a p sn o i s eo f v a l v ec l c a r 锄e ei st h em a i n u | eo f a d m i s s i o ng e a rw h o aa 增m ei sa l l o ws p e e d ；w h e r e a st h ei m o e kn o i s ew h i c h 也ev a l v ed r o l 晦b e di sd o m i n a n tp a r tw h e nt h ec n g i n ei s a tt h eh i 庐s p e e d t h ef 1 e q u e n c ys i g n a l so fv a l v ea c c e l e r a t i o n 锄d 刚i n d e rb o d ya c c e l e r a t i o na ” r e g u l a r t h ee n c t g ya 地f o c u so nt h es e v e r a lg i v 自 q 哪c yi nt h er a n g eo fl o wf r e q u e n c y t h e n o i s ec ；m db yp r i m a r yg e a rm e c h a n i s mi n c r e a s e sa st h et o r q u ee n l a r g e s i tc 缸b e 剐籼f r o mt h e a c c e l e r a t i o ns p e c t r u mt h a tt h ev i b r a t i o na n dn o i s ec 拙b er e d u c e dw h e nt h eg e a ri sw i d 即e 正t h e m o d i f i c a t i o ne o c l 五e i e n tf o rg e a ri sm o d i f i e d 铷缸t l a em a e k i n i n gp r e c i s i o ni si m p r o v 1 t h ee o l a t r o l m e c h a n i s mo f m a c h i n en o i s ei ss t u d i e d t h es u r f a c em i s s i v en o i s eo f t h eg a s o l i n ee n g i n eb o d yi s a n a l y t ll a s t l y k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，n o i s e ，t e s t ，n o i s es o l l l c ei d e n t i f i c a t i o n ， s o u n dp o w e r s p e e m i ma n a l y s i s i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：窘蛾众 签字日期：7 伊7 年钿7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：害戢众 签字日期：卅叼年月1e t 导师签名唧 签字吼卞彳月尸日 1 绪论 1 绪论 噪声与振动污染是环境保护防治的三大污染之一，车辆噪声是形成环境噪声 污染的主要污染源。近2 0 年来，我国车辆噪声与振动控制技术得到了迅速的发展， 但因起步较晚，基础薄弱，目前仍处于发展的初级阶段。 发动机是车辆的主要动力源，同时也被用作船舶、各类工程机械、农业机械 等的主要原动力。它是以曲柄连杆机构为核心的将往复运动转化为旋转运动并将 燃料的化学能转变为机械能的装置，其工作特点是周期性对外傲功。因此在其工 作过程中振动和噪声是不可避免的。 1 1 问题的提出及研究意义 随着现代工业和交通运输业的发展，噪声和振动已成为社会公害，影响着人 们的正常工作、学习和生活。噪声和振动控制己成为劳动保护和环境科学中的一 个重要学科分支。发动机噪声是汽车的主要噪声源。在我国，小轿车车外加速噪 声中，发动机噪声约占5 5 ；大、中型汽车车外加速噪声中，发动机噪声约占6 5 左右。随着汽车噪声标准的提高，发动机噪声问题显得日益突出，国内外都非常 重视降低汽车发动机噪声。日本大型汽车的发动机噪声已降到仅占车外总噪声的 3 0 ，大大超过了我国目前的水平f 3 1 。 为了尽快缩小我国小型发动机低嗓声技术同国外的差距，开展有关发动机噪 声方面的研究是非常重要的。本文针对国内外汽油机振动噪声的研究现状，为生 产厂家解决实际面临降噪难题的需要，以j l l 2 5 型摩托车车用汽油机为研究对象， 主要采用实验的方法，从噪声测试分析、主要噪声辐射源识别，到振动噪声特性 分析，直到利用现代设计理论与方法进行低噪声改进设计，开展了单缸汽油机振 动噪声的研究。这将有助于我国汽油机振动与噪声研究水平的提高，从产品设计 阶段开始考虑噪声控制问题，避免重复工作，降低成本，缩短产品开发周期，为 现有小型汽油机的低嗓声改进设计所能达到的预期效果提供了某种程度的参考。 从发动机运行可靠性和减少环境污染、保障人们身心健康以及操作舒适性出发， 开展对发动机噪声分析及控制研究具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 随着工业、交通的发展和社会进步，机动车辆的产量和保有量逐年增加，交 通噪声污染越来越严重，已成为一个世界性的问题。机动车辆的噪声已成为城市 交通的主要噪声源和社会公害之一，其对环境的影响也日益突出。国外对于汽车 噪声的标准日趋严格，而中国也于2 0 0 2 年颁布了新的汽车及发动机噪声法规 重庆大学硕士学位论文 ( g b l 4 9 5 - 2 0 0 2 机动车辆允许噪声) ，并作为强制执行标准予以实施。从而对于 作为机动车辆主要原动力的发动机的噪声问题提出了越来越高的要求，噪声已经 成为评价发动机性能的一项重要指标，世界各国都把发动机的振动、噪声及其控 制问题作为重点研究项目之一。 1 2 1 国外发动机研究现状 国外在发动机噪声的研究方面起步较早，从二十世纪五六十年代开始，国外 一些研究单位和高校就进行发动机噪声的研究工作：在六十年代初英国南安普敦 大学的t 1 恻e 在机械工程会议上发表了柴油机气缸压力谱形式和噪声之间的关 系的文章：1 9 7 3 年英国的南安普敦的另位学者n l a l o r 发表了关于低噪声柴油机 设计综述的文纠”，文中阐述了发动机机体的整体模态和局部平板模态对发动机噪 声的影响，这方面内容在国内的发动机噪声专著中得到广泛的引用：1 9 8 2 年，m f r u s s e l l 在文章中对柴油机噪声控制技术进行了论述。各大汽车生产厂家也都深刻 认识到n v - ( n o i s ev i b r a t i o n & h a r s h n e s s 即汽车的噪声、振动与平稳性) 是企业汽车 产品竞争的一大关键因素，美国通用公司和日本丰田公司等都有各自的n v h 研究 中心，己经成功地使各种汽车噪声降低了1 0 d b 2 0 d b 不等。 近十几年来，为了满足更为严格的噪声法规，国外的许多研究机构和发动机 厂家纷纷加快了开展低噪声发动机的研究开发工作的步伐，除了试验方面的研究 以外，模拟分析技术也是一个重要而且非常活跃的方面，其中采用有限元和边界 元相结合方法进行发动机噪声模拟分析方面已经取得了众多的研究成果。除了在 汽车发动机上的应用以外，在摩托车用的小型发动机上，结构振动和辐射噪声的 模拟计算也正在得到应用。日本本田摩托车研发中心利用实验和计算相结合的方 法对一踏板摩托车发动机的侧盖板进行了声辐射特性优化【2 】。 国外由于对摩托车的振动噪声问题认识较早，己开展了长期系统的研究，无 论是在摩托车振动噪声试验设备，还是在试验数据积累方面，都远远走在前面。 如英国砒以r d o 公司，不仅在摩托车振动噪声检测方面有完备的检测仪器和试 验程序，而且有庞大的摩托车振动噪声试验数据库。 由于受摩托车结构尺寸的限制，同时，也由于摩托车发动机一般是单缸或少 缸形式，摩托车噪声性能的改善工作是所有机动车辆中难度最大的。国外对摩托 车噪声的控制，主要是通过改进优化发动机的设计和控制生产质量这两方面进行 的，而对发动机排气噪声控制理论的研究尚不充分，仍以粗略计算和试制调整为 主。但国外研究机构比较注重进行噪声频率特性的规划，强调合理规划发动机噪 声的频率分布，以期取得悦耳的声学效果，改变了以往一味降低噪声分贝值的被 动方法，为发动机的噪声控制提供了新的途径。 2 i 绪论 1 2 2 国内发动机研究现状 我国从1 9 8 5 年就开始了关于发动机振动噪声控制方面的研究工作，但目前和 发达国家在噪声研究和控制领域还存在较大差距：上世纪七十年代末，国产发动 机噪声与先进工业国家同类型产品比较普遍高出3 d b 巧d b ，到1 9 8 9 年对国家标准 g b 2 5 9 - - - - - 8 6 中小功率柴油机噪声限值进行修订时，仅仅收缩了限值l d b - 2 d b ， 而根据日本环境保护厅的资料，从1 9 7 0 年到1 9 9 0 年间其小客车下降了约6 d b ( a ) ， 大型车的车外加速噪声级降低了约1 0 d b ( a ) 。有学者认为现在我国发动机噪声水 平与发达国家产品之间的差距在迸一步拉大，已经普遍高出3 , , - 9 d b 。 与国外相比，我国发动机噪声控制水平和低噪声技术、设计、开发水平存在 较大差距，发动机噪声限值落后于国外先进国家的噪声限值，究其原因：国内在 发动机噪声方面的研究起步较晚，而且我国执行的车辆和发动机的噪声法规要求 比国外低，噪声控制的行政管理制度比国外宽松，从而导致国产车辆和发动机降 低噪声的研究工作的开展不如国外活跃，研究队伍和研究条件薄弱，尤其是创造 性的关键技术的研究不够，仅满足于跟踪和达标的治理。但国内无论是企业还是 科研单位都己经认识到了和国外先进水平的差距，许多高校如吉林工业大学、合 肥工大、天津大学、清华大学等和一些科研单位、企业如上海内燃机研究所、一 汽、七零所等都投巨资建设了内燃机消声实验室，许多新的实验手段和技术都被 应用于噪声的分析研究。我国应逐步缩短与国外噪声限值的差距，争取尽快与国 外先进的噪声水平同步。 由发动机引起的振动噪声问题是困扰摩托车企业发展的一大障碍，解决发动 机引起的振动噪声问题是摩托车企业的迫切需要。摩托车生产企业应尽快加强振 动噪声控制专项技术研究、开发与应用，不断开发低污染排放、低噪声的摩托车 产品。国内摩托车企业在设计新产品时，基本上都没有进行摩托车发动机振动噪 声特性的规划。对摩托车发动机噪声的控制，主要是通过排气消声器来降低整车 噪声分贝值。 研究发动机的噪声应首先从噪声的测试开始，通过试验的方法对发动机噪声 声源识别，进行噪声发生机理研究，这样有助于从设计阶段就开始统筹考虑噪声 控制问题。噪声的试验研究方法趋向于声压法、声强法和振动测量法的综合应用， 更多地借助于声强法和模态测量法、能量流或功率流测量法来研究机械结构系统 的噪声形成、固体传播和辐射规律，并逐步引入数值解析方法进行结构噪声辐射 的理论分析和改进设计。噪声测试分析与控制目前更多的借助于计算机技术与软 件技术，而对传统的复杂仪器、分析方法的依赖越来越少。计算机的引入，使得 振动噪声测量、分析，更加方便快捷，且误差小。在软件上，目前已经开发出许 多噪声与振动分析软件，如有限元、多体动力学等，这为我们对噪声进行理论研 重庆大学硕士学位论文 究提供了有力的工具。在硬件方面也相应地开发出多种噪声分析仪器，如b & k 测 试分析系统等，这为我们进行噪声试验分析提供了工具。 发动机的噪声控制由主要依靠消声、隔声和吸声的传统手段向结构动态特性 改进、声源直接控制和传统手段相结合的方向发展。2 0 世纪8 0 年代以来，许多工 程技术人员已对发动机的噪声、振动问题进行了深入的研究，有限元法、边界元 法、统计能量法、模态分析等高新技术在发动机噪声、振动的理论研究和测试分 析中得到了应用，为发动机的减振降噪开创了良好的前景，取得了丰硕的成果。 1 3 本文研究的目的和内容 摩托车发动机经常在高速运转的状况下长时间连续工作，工作时振动非常强 烈，伴随而来的是严重的噪声污染。发动机降噪作为机动车辆行业的一个重要课 题，受到世界各国的广泛重视，但是由于摩托车发动机结构本身非常复杂，噪声 成因多种多样，这给发动机噪声机理研究制造了不小的麻烦。本文研究目的是通 过对单缸汽油机振动噪声进行试验研究，提出一种有效的控制策略，使生产厂家 从产品设计阶段就开始统筹考虑噪声控制问题，从而提高控制噪声水平，达到降 低汽油机噪声的目的。 主要研究方向确定在单缸汽油机的本体噪声方面，因为针对进、排气噪声的 分析和控制等，在国内已取得了大量科研成果，并且成效显著，本文不做重点阐 述。本课题以某型摩托车发动机为对象，采用理论分析和实验研究相结合的方法， 研究噪声发生机理和控制措施，主要研究内容如下： 进行单缸汽油机声源识别。确定各部位噪声大小，分离出各部分噪声，得 到发动机主要噪声源。 单缸汽油机主要噪声源的噪声发生机理研究。针对活塞敲击噪声、初级齿 轮噪声、配气机构噪声等主要声源进行机理研究。 探讨汽油机主要噪声的影响因素，研究单缸汽油机噪声控制的方法和措 施。 4 2 汽油机噪声的主要来源与控制机理 2 汽油机噪声的主要来源与控制机理 2 1 引言 汽油机是一种有多个声源的复杂机器，为能降低汽油机本身的噪声，重要的 是鉴别出其发声的主要部位以及探知其发声的根源。汽油机主要是由机体、曲柄 连杆机构、配气机构、进气系统和排气系统等多种零部件总成组成的。在发动机 工作过程中气缸主要完成燃油混合气的吸入、燃料的燃烧、燃烧后气体的排出等 一系列的复杂的过程，并最终将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，与这些过程 相关的零部件噪声的产生也是十分复杂的，而摩托车发动机噪声就是由和上述过 程密切相关的多种声源发出的零部件噪声组合而成的。本文以某摩托车单缸四冲 程汽油机为研究对象，进行发动机噪声源的分析和控制机理研究。 根据噪声源类别( n o i s es o u r c e ) ，该汽油机主要噪声源可分为三种，即空气动力 性噪声、机械噪声和燃烧噪声。0 4 机械噪声和燃烧噪声都要传播到发动机表面， 然后向空气辐射出噪声。而空气动力噪声是直接向大气辐射的噪声源，主要有进 气噪声、排气噪声等，它们都是由于气流的运动而产生的噪声。 燃烧噪声和机械噪声难以严格区分。严格地讲，机械噪声也是由于汽油机气 缸汽油燃烧间接激发的噪声。习惯上把气缸内燃烧所形成的压力振动并通过缸盖 和活塞连杆一曲轴机体的途径向外辐射的噪声叫燃烧噪声，把活塞对 缸套的撞击，正时齿轮、配气机构、变速机构等运动部件之间机械撞击所产生的 振动激发的噪声叫机械噪声。 2 2 空气动力性噪声 发动机的空气动力性噪声是由于气体扰动以及气体与其它物体的相互作用而 产生的，主要包括进气噪声和排气噪声。摩托车发动机工作时需要不断地吸进燃 油混合气，燃料燃烧后要及时地将废气排出气缸，在这样一个循环过程中，气流 状态发生剧烈变化，气体与管壁发生摩擦，气体在流经进气门和排气门时会发生 阻塞，同时伴随气流脉动效应和在管内的反射与叠加等都会产生空气动力噪声， 这部分噪声直接向汽油机周围的空气中辐射。在没有进排气消声器时排气噪声是 汽油机的最大噪声源，进气噪声次之。 2 t 2 1 进气噪声 进气门周期性开闭引起进气管道内压力起伏变化，从而形成空气动力性噪声， 它称为进气噪声。摩托车发动机的进气噪声主要包括周期性进气噪声、迸气管中 压力脉动可能引起的气柱共振噪声和进气通道截面的涡流噪声。 当进气阀突然关闭时，将引起进气管中空气压力和速度的波动，这种波动将 5 重庆大学硕士学位论文 以压缩波和稀疏波的形式沿着管道向外传播，并在管道开口端和固定壁面端之间 产生多次反射，这时管内气流柱产生振动而引起噪声。 当进气阀开启时，活塞由上止点下行吸气，气体速度由零变大，这时在管内 就会产生一个压力脉冲，形成强烈的脉冲噪声；另一方面，气体以高速通过进气 门，在进气门截面上形成一个涡流而产生涡流噪声。 进气噪声基本上和发动机的负荷变化无关而主要和发动机转速相关，随着转 速增加，吸入空气流速增加使得的气流脉动强度和涡流强度增大。进气噪声的大 小还与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮线型等因素有关。 2 2 2 排气噪声 排气噪声是发动机最主要的噪声源。其主要成分包括：因气门开、关而产生 的周期性压力所激发的噪声；高速气流通过排气门和排气管道时形成的涡流噪声； 由气缸和排气管产生的亥姆霍兹共振噪声( 单缸发动机) 【4 1 1 。当发动机的排气门开启 后，废气以很高的速度向外冲出，整个排气过程表现为一个十分复杂的不稳定过 程，在此过程中，必然产生强烈的排气噪声，其中以废气通过气阀时产生的涡流 噪声最强烈。 汽车发动机排气噪声的特性与点火频率密切相关的中低频噪声最为突出，其 次是这种噪声的高次谐波。基频是发动机的发火频率，在整个排气噪声频谱中呈 现出基频及其高次谐波的延伸，发动机点火频率公式是： 厂：旦i 。 6 0 ( 2 1 ) 其中，七为谐波数；f 为气缸数；栉为发动机转速：f 为冲程数。 根据周期性信号展开为傅立叶级数的一般规律可知，随着谐波数数的增加， 其幅值将迅速降低，即高谐次的排气噪声声级将迅速降低。 普里德对发动机的试验研究表明，发动机排气噪声呈明显的低频特性，排气 时气缸内的压力和转速对排气噪声影响最大。发动机排量、功率、扭矩、平均有 效压力对排气噪声也有较大的影响【。 影响摩托车发动机排气噪声最重要的因素是发动机的转速及负荷。排气噪声 的公式为： 工= 2 5 1 9 n + 2 0 1 9 p 。, , + 1 3 1 9 + 置 r 22 、 式中，行为发动机转速；为平均有效压力，1 0 0 k p a ；为发动机排量；置 是与发动机有关的结构参数的常数。 对同一台发动机来说，平均有效压力提高、转速的提高也都会使排气噪声有 所增大，但平均有效压力对噪声的影响较小。由于摩托车发动机的排气噪声通常 具有较高的量级，所以一般都装有排气消声器。 6 2 汽油机噪声的主要来源与控制机理 2 2 3 空气动力性噪声影响因素及其控制 目前广泛采用的纸质空气滤清器和排气消声器来降低进、排气噪声。进排气 噪声是气流高速流动产生的，主要的解决办法是优化气道结构和改进消声器性能。 排气噪声随排气压力和转速的增加而增大，发动机排量、平均有效压力和 扭矩等也对排气噪声有影响。排气噪声的控制有两种手段：一是改进排气通道结 构，如避免通道急剧转弯，保持内壁光滑通畅；最简单有效的方法是采用排气消 声器。传统的消声器有三种类型：阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。 在发动机的排气消声上抗性消声器用得比较广泛，主要原因是排气管道的上作环 境恶劣，高温，气体具有腐蚀性并含有碳粒和焦油等。这种情况下阻性和阻抗复 合式消声器的吸声材料会很快失效。 摩托车发动机用消声器要求结构简单、耐高温、耐气体腐蚀和冲击，故一般 采用抗性消声器，包括扩张式、共振式和干涉式等。它根据声学滤波原理制成， 利用控制声抗的大小来进行消声。通过一定尺寸和形状的扩张室、共振腔、一定 长度管道的适当组合，使某些频率成分的噪声得到衰减。其中扩张式消声器简单 耐用，气体阻损小，应用的最广，它对中低频噪声消声效果良好，对高频消声效 果较差，可采用穿孔板或多节组合。摩托车发动机排气消声系统中采用多节组合， 配以少量的穿孔机构，其穿孔孔径的选取应以避免发动机功率损失过大为依据。 进气噪声主要与发动机转速大小有关，控制进气噪声是采用进气消声器， 它的设计原理与方法和排气消声器类似。需要注意的是设计安装进气消声器须结 合考虑迸气空气滤清器，在控制进气噪声的同时不能影响迸气和滤清的效果。 2 3 机械噪声 在摩托车发动机噪声中，机械噪声是最重要的噪声源之一，它产生的主要原 因是由于运动部件之间以及运动部件和固定部件之间周期性变化的机械作用力。 机械噪声主要包括活塞对缸套的敲击引起的噪声、配气机构如气门落座等引起的 噪声、初级齿轮副、正时齿轮、变速器齿轮等引起的噪声等等。 一般而言，在高转速下的发动机噪声中，机械噪声占主导地位。此外，机械 噪声与发动机制造工艺水平有着直接的关系，当工艺水平还不能令人满意时，发 动机的机械噪声将显得尤为突出f 3 1 。 机械噪声主要是由零部件的冲击、振动引起的，而且引起振动的原因比较复 杂，只有在详细分析了各个零部件产生振动的原因以及噪声的分布情况后，才可 能有效地采取措施降低机械噪声。 2 3 1 活塞敲击噪声 活塞对气缸壁的敲击，通常是发动机最大的机械噪声源。活塞具有一定的质 7 重庆大学硕士学位论文 量，活塞与缸套之间又存在一定的间隙，而发动机转速很高，活塞在气缸内气体 爆发压力作用下，对气缸壁产生强烈的撞击，产成活塞敲击噪声。 爨器 由于活塞、缸套间存在一定的间隙，当活塞和曲柄连杆机构在进气、排气、 压缩和膨胀做功时，来自予连杆作用在活塞销上的侧压力有规律地改变其作用方 向，这就必然引起活塞由缸套的一侧移向另一侧的横向运动，而且在活塞从缸套 的一侧运动到另一侧的过程中，作用在活塞顶的缸内气体力还会产生使活塞产生 绕活塞销转动的转矩( 图2 1 ) 。为了和发动机工作时活塞沿气缸中心线的垂直运动 相区分，这种活塞在缸套内的横向运动和活塞绕活塞销的转动一般被称为“二次 运动” 4 5 】。由于活塞二次运动使得活塞敲击缸套，使机体产生振动，并从机体表 面辐射出噪声。 活塞对气缸壁的敲击，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。在摩托车发动机中，这两次活塞的横向移动是以 相当高的速度进行的，因而造成活塞向缸套一侧的敲击，敲击的强度主要取决于 气缸的最大爆发压力和活塞与缸套之间的间隙，这种敲击在一个工作循环中多次 发生，而且发生在上止点和下止点的附近，在膨胀冲程开始的上止点附近，由于 连杆作用力方向的改变，活塞由次推力侧向主推力侧运动，气缸内爆发压力接近 最大值，因此该处的敲击最为严重，在很大程度上决定了活塞敲击噪声。除了产 生活塞敲击噪声以外，由于活塞的二次运动造成的活塞和气缸的强烈撞击，还可 能引起活塞裙部的变形，导致气缸套振动、穴蚀和裂纹。 影响活塞敲击噪声的因素的较多，如活塞间隙、活塞销孔的偏移、活塞高度、 活塞环数、缸套厚度、润滑条件、发动机转速和气缸直径等。活塞销孔位置对活 塞敲击噪声有很大影响，若将活塞销孔中心适当地向主推力面偏移，活塞瞬时横 8 2 汽油机噪声的主要来源与控制机理 向运动与无偏移时不同，减少了活塞敲击次数，有利于降低活塞的敲击噪声。 降低活塞敲击噪声的方法有活塞销向主推力侧偏置，缩小活塞与缸套之间的 配合间隙，采用合理的活塞结构、减轻活塞净质量，活塞裙部刚度调整、活塞形 状优化、提高气缸刚度和自振频率等。其中最常用的方法是活塞销偏置，具体的 偏置尺寸要根据发动机的几何尺寸、活塞间隙及试验中的噪声情况来决定。 2 3 2 配气机构噪声 发动机配气机构也是重要的机械噪声源，配气机构零件多、刚度差，凸轮和 挺杆间的摩擦振动、气门的不规则运动、摇臂撞击气门杆尾部以及气门落座时的 冲击和传动链脱节等均发出噪声。 配气机构的噪声在低速时并不突出，但在高速时是发动机的一个重要噪声源。 配气机构噪声的强度与频率特性主要与气门的落座速度、配气机构的结构型式、 气门问隙以及相互撞击零件的结构与材料等有关。其中进、排气门与气门座的撞 击噪声是高频噪声，在摩托车发动机中除了气门落座等冲击噪声外，由于配气机 构本身是一个弹性系统，由凸轮作用于配气机构上的作用力将形成激励源，往往 会使配气机构发生不规则的振动，形成气门的脱离凸轮型线的跳动，这种跳动又 进一步增加了配气机构中各传动部件之间撞击的次数和强度，将产生更为严重的 噪声。 合理设计凸轮型线，使气门升程曲线丰满系数足够大，加速度曲线平滑，来 减小作用于配气机构的激励，合理设计气门机构振动系统避免发生气门结构的不 规则运动，会有效地减小配气机构的振动和噪声。此外，配气机构的剐度，驱动 零件的重量和气门间隙对振动和噪声也有一定的影响，若能提高刚度、减轻质量、 减少气门间隙，则可减振降噪。 控制配气机构噪声的主要措施有：选用性能优良的凸轮形线( 如高次简谐型和 滞后动力凸轮型线) ，以使配气机构的工作过程平稳可靠；提高配气机构刚度，减 轻配气机构零件的质量，其中包括减少传递环节，如采用顶置凸轮轴方案；减小 气门间隙以降低撞击强度或采用液压挺柱以从根本上消除气门间隙等，有效控制 气门的落座速度及传动过程中的撞击声。 2 3 3 传动齿轮噪声 在摩托车发动机中，配气机构和变速器都是通过齿轮传动来驱动的，在齿轮 啮合、传动中，由于不可避免地存在着不同程度的齿距，齿形、齿向等误差，再 加上外加载荷的变动，使齿轮产生振动并伴有摩擦声，假设传动轴上无脉动扭矩。 但它在啮合过程中产生的脉动冲击是难以避免的，这将使传动齿轮产生振动与噪 声。另外，由于齿轮在啮合过程中，轮齿受力后必将产生一定程度的弹性变形， 原来啮合的轮齿的载荷就会相对减少，它们就会立即向着载荷位置恢复变形，从 9 重庆大学硕士学位论文 而给齿轮体一个切向加速度，再加上原有啮合轮齿在受载下的弯曲变形，使新啮 合上的齿，不能得到理论齿廓的平滑接触而发生碰撞，形成所谓“啮合冲击力”， 齿轮在这种激振力作用下，也将激发起齿轮的周向振动、径向振动、轴向振动， 从而产生出噪声。在一般低速情况下，齿轮噪声并不足以影响整机噪声水平，但 是在高速情况下齿轮噪声明显加大。 在摩托车发动机的齿轮噪声中，主要有初级传动齿轮噪声和变速机构齿轮噪 声，在实际使用中，初级传动齿轮的噪声较大闱。初级传动齿轮噪声主要表现为 发动机高速啸叫及异响，加速时尤为突出，且在高速档位较为明显。初级齿轮副 高速啸叫的原因较多，主要与齿轮的制造精度、安装轴线中心距及平行度误差以 及齿轮副传动侧隙大小密切相关，且初级主动齿轮方面的影响较为明显。 齿轮的模数和压力角是影响齿轮噪声的主要因素。轴系的刚度不好，会导致 轴的弯曲振动，从而使齿轮振动，噪声加剧。此外，齿轮的结构、形状、材料、 精度和粗糙度等也有影响。 齿轮噪声的强弱通常与齿轮的结构型式、设计参数、制造精度及运转状态有 很大关系，而降低齿轮噪声的途径也是多方面的，根据齿轮噪声形成的机理，凡 能减小齿轮间的冲击、摩擦，避免其振动的产生等措施都能直接或间接地减小齿 轮的强迫振动以及自由振动的强度，都可以达到减小噪声的目的。选择合理的齿 轮参数和结构形式，选取适当的模数、压力角和外径。齿轮模数越大，齿轮受载 后引起的变形越小，有利于降噪。但模数越大，制造误差也越大，对降噪又不利， 因此，应当在强度允许的情况下尽可能选用较小的模数。齿轮压力角增大，齿根 部变厚，强度好，但啮合时径向分力也增大，使轴向弯曲振动增大。采用2 0 0 压力 角较好地兼顾了噪声和强度两方面的因素。提高齿轮加工精度和光洁度，并对齿 轮进行修缘，以防止因制造误差和承载变形而引起啮合干涉；采用高内阻的齿轮 材料或弹性吸振齿轮减轻其振动烈度；提高齿轮装配精度，减小主动齿轮与曲轴 配合间隙以减小装配后的齿轮径向跳动等，也是降低齿轮噪声的有效措施。 2 4 燃烧噪声 2 4 1 燃烧噪声的产生 燃烧噪声也是发动机噪声的重要组成部分，它产生的主要原因是由于燃料在 气缸汽油烧时，气缸内压力急剧上升产生的动载荷，经活塞、连杆、曲轴主轴承 传至机体表面以及通过气缸盖等传递而引起发动机的结构表面振动，并辐射出来 噪声，燃烧噪声主要决定于燃烧方式和燃烧开始初期的燃烧速度。 摩托车发动机的工作过程是间歇性地发火燃烧过程，燃料点燃着火后燃烧室 压力迅速增加，由于燃烧过程是在压缩行程的上止点附近的几十度曲轴转角完成 l o 2 汽油执噪声的主要来源与控制机理 的，燃烧时间很短而且是在活塞靠近上止点时气缸容积很小的情况下进行的，在 发动机气缸内产生很高压力增长率。通常用气缸内相应单位曲轴转角的平均压力 增长量来表示压力升高的急剧程度，又称为压力增长率。气缸内压力急剧上升产 生的动载荷和冲击波产生的高频振动，经不同途径传播到空气中产生噪声。燃烧 噪声主要表现在两个方面，一是气缸内压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生 结构振动和噪声：二是由气缸内气体的冲击波引起的高频振动和噪声。 与柴油机相比，摩托车发动机的燃烧室最高压力和压力增长率都比较低，燃 烧柔和，所以产生的燃烧噪声相对较低。尤其是在发动机转速比较高时，燃烧噪 声在摩托车发动机总噪声中贡献率更小，处于次要地位。 2 4 2 燃烧噪声的传播途径 缸内气体压力引起的结构振动通过外部和内部传递途径传到内燃机表面，并 由内燃机表面辐射形成空气声，称为燃烧噪声。摩托车发动机燃烧噪声可以通过 三条途径传递到发动机外表面而辐射出噪声。第一条途径是通过活塞、连杆、曲 轴传至机体外表面；第二条途径是经过气缸盖传播出来；第三条途径是经过缸套 侧壁传到机体外表面。由于在上止点附近发动机压力急剧升高，所以燃烧噪声也 主要发生在这段时间内，而此时活塞接近上止点，缸内气体和气缸壁接触面积很 小，因此通过气缸壁传到机体外也就是第三条途径辐射出的燃烧噪声十分有限， 基本上可以忽略，大多情况下可以仅考虑前两个传播途径。其中最重要的是第一 条传递途径，气缸汽油料燃烧产生的大部分振动能量是通过活塞、连杆、曲轴传 至机体外表面，使机体产生强烈的结构振动，从而辐射出噪声。 2 4 3 影响燃烧噪声的主要因素 影响燃烧噪声的主要因素是气缸内的压力升高率，而压力升高率则主要取决 于滞燃期以及滞燃期内形成可燃混合气的数量。燃烧噪声与发动机的燃烧过程有 直接关系，它与燃料的性质、压缩比、点火提前角、燃烧室的形状、缸内温度压 力状况及发动机运转工况等因素均有密切关系。 2 4 4 燃烧噪声源控制的技术措施 对于燃烧噪声，主要通过降低气缸内燃烧压力升高率来解决，有时与动力性、 经济性等指标相矛盾，需协调各个参数。控制燃烧噪声源主要就是控制气缸内工 质压力升高率。对于摩托车发动机来说，其压力增长率与燃烧室的型式、形状、 缸内温度压力状况，点火提前角，负荷工况和火焰传播扩散等因素有关。因此， 在不影响发动机其它性能指标的前提下降低发动机的燃烧噪声是一项非常复杂的 研究工作。 2 5 机体表面的辐射噪声 重庆大学硕士学位论文 图2 2 发动机表面噪声辐射产生过程 f i g 2 2t h ep r o c e s so f e n g i n es u r f a c er a d i a t i o nn o i s e 从发动机噪声辐射的方式可分为直接向大气辐射和通过发动机结构外表面向 空气辐射两类。空气动力噪声，无论是进气噪声还是排气噪声都是直接向空气辐 射的，而其它零部件噪声则是由于这些零部件的结构振动而扰动周围空气产生噪 声( 图2 2 ) ，是间接地向大气辐射的，称为表面噪声。发动机的燃烧激振力和机械 激振力，通过各个结构零件传递到气缸体外表面上，形成气缸体的表面振动响应， 而表面的振动又激发相邻空气介质质点的振动，产生气缸体表面辐射噪声。 可以通过改变传递介质的阻抗特性、减少辐射表面积、降低振动速度来减少 表面辐射噪声。增加机体刚度，包括改进曲轴箱设计，采用整体式轴承结构，增 加壁厚和在机体表面布置呈网格状的高筋等，以提高结构的自振频率，因为不仅 燃烧和机械噪声的激振力随频率的增加而下降，而且结构的衰减系数随频率增加 而增大，所以创造了降噪的有利条件。另外增加表面振动阻尼，减少机体辐射表 面积，会对降噪产生一定效果。 3 单缸汽油机的噪声源识别 3 单缸汽油机的噪声源识别 3 1 引言 单缸汽油机的嗓声主要包括空气动力噪声、燃烧噪声和机械噪声三部分，常 采用试验的方法进行声源识别研究。单缸汽油机体积小，结构紧凑，但是噪声源 较多，且形成原因错综复杂，需要综合多种识别方法，多角度寻求特征，才能有 效鉴别发动机表面辐射噪声的主要来源。本文针对单缸汽油机，综合进行了声强 试验、分别运行试验、消声器插入损失试验，并采用现代信号处理技术对试验数 据进行时频域的统计特征分析。 3 2 噪声测量分析技术 对汽油机进行噪声测试【6 】【4 2 】【4 3 1 的目的是取得有效、精确的噪声数据，一是对 汽油机的声学指标做出的鉴定性测量；二是通过测试识别出主要噪声源，分析噪 声产生原因和影响因素，为噪声控制指明方向的诊断性测量。 评价噪声的物理量主要是频率、声压和声强，主要的测量项目是噪声级和噪 声频谱。目前国内外对噪声测试主要有声压法、声功率法、声强法等。 3 2 1 声压测量 声压是最基本的声学量，也是评价发动机噪声的最基本的量。它是标量，不 需要考虑方向，并且当前声压测量仪器的发展也比较成熟。传统的声学测量是测 量声压，它的原理简单，方法简便，测量仪器也比较成熟。测得声压或声压级后， 可以计算得到声强、声强级、声功率和声功率级。 测量声压的仪器是声级计，它是按照一定的频率计权和时间计权测量声音的 声压级，它不仅能测量声级，还能与多种辅助仪器配合进行频谱分析、记录噪声 的特性和测量振动等【l6 】。传声器是将声波转换为相应电信号的传感器，它将声压 信号转变为电信号，其性能在很大程度上决定了测量系统的性能。 声压测量系统相对简单，不会引起相位失配误差，但容易受背景噪声和声反 射的影响，因此对测量环境要求较高，只有在消声室或半消声室中进行测量才能 得到比较满意的结果，必要时要对环境修正，而且对测点的布置也有要求。本噪 声测量的目的是为了测量汽油机主要噪声的声压级，通过其声压级计算声功率级 识别主要噪声源，同时获得其在各种转速下的噪声频谱，并在此基础上对噪声发 生机理进行研究。 3 2 2 声强测量 声强测量是近些年来在声学测量和信号处理方面发展起来的新技术。声压测 量对测试的声学环境要求高，测量非常繁琐，工作量大，且精度低。同声压测量 重庆大学硕士学位论文 相比，声强测量具有更大的优越性。首先，声压是标量，只有大小没有方向，而 声强是矢量，可以代表声能的流动方向。所以声强包括了更丰富的信息，是对噪 声更完整的描述。其次，声压测量受背景噪声影响大，要求有消声室或混响室之 类造价昂贵的声学环境，而声强测量受背景噪声的影响小，测量精度高，并适合 现场测量。同其它声源识别方法相比，声强测量法不受测量环境限制，可进行现 场测量，测量周期短，可节省人力物力，所以用声强测量识别汽车噪声源己经成 为汽车噪声源识别的主要方法。1 4 7 1 单位时间内通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声能流量，称为声强。 声强还可以用单位时间内单位面积的声波对前进方向邻近媒质所做的功来表示， 即 1 一 = 【p ( t ) v ( t ) d t 1 州 ( 3 1 ) 式中，p ( f ) 为传播方向，上某点的瞬时声压；“f ) 为传播方向，上某点空气的 瞬时质点速度；r 为声波周期的整倍数。【1 2 】 由式( 3