发动机进气噪声及汽车NVH简介.ppt

,发动机进气噪声及汽车NVH简介商研院动总刘明,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10-15dB(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排气噪声均属于空气动力噪声，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进气阀周期性开闭而产生的压力波动所形成的。进气噪声主要包括：周期性压力脉动噪声、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。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；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噪声脉冲噪声，其噪声频率成分主要集中在200Hz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通截面时，会形成涡流噪声，由于进气门流通截面是不断变化的，涡流噪声主要集中在1000-2000Hz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，会产生空气柱共鸣，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1015dB(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8001000Hz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,时传递损失达到最大值，对应的频率为,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。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,TURBONOISEDAMPER,DUCTWITHINTEGRATEDRESONATORORWAVE,COMPLETELINEWITHRESONATOR而国内自主品牌大多处在样车试验改进(通常与国外试验咨询公司合作)阶段,CAE能力及其与试验的糅合仍需加强.其他企业的现状如下：上汽同济噪声与振动工程中心同济大学汽车学院的NVH实验室硬件一流,且比较完备.其消声室(带低噪声转毂)为远东最大,达到1200m3,混响室为268m3,测试系统为LMS等主流设备.一汽一汽的NVH试验能力较早就已建立。其中噪声试验室是按国际标准所建，包括：整车噪声试验室；动力总成噪声试验室。其中整车噪声试验室为半消声室，可以进行整备质量50012000kg，轴距在2.2m-6.5m范围的各类轿车、轻型车、中型卡车、厢式车、大客车等车型的车外、车内噪声试验奇瑞常规的NVH试验工程及研究与合肥工业大学的噪声振动实验室（实验室为安徽省汽车重点实验室，主任顾镭为奇瑞汽车研究院副院长，曾分管汽车研究院计算机仿真与试验中心）合作。而针对部分产品的NVH性能提升，主要通过与国外试验咨询公司合作的方式来完成。如：通过与意大利Prototipo试验公司的合作，针对东方之子与新旗云等车型的NVH方面多个小项目进行改进，提升产品竞争力的同时也大大提高了技术人员的水平。奇瑞已具有4套LMS的振动噪声测试系统等主流设备,成立了NVH科室,CAE方面有专门NVH分析人员.,结束语NVH问题是系统性的。例如有些轿车行驶时车厢噪声大，查源头在发动机，那么这一个噪声问题可能就涉及到很多部分：发动本身的噪声大进排气噪声过大发动机悬置部件减振效果差车厢前围和地板隔音技术不好这是一个互相关连的系统问题。当遇到车厢噪声大时，人们一般考虑加强车厢隔音技术和材料，而对真正的噪声发生源-发动机则是无能为力，这只能是“亡羊补牢”，无法从根本上解决问题。而运用NVH解决方案，就会涉及发动机、