发动机噪声的分类

首先，发动机噪声水平的评价测试场景可以主要分为三种情况，分别在发动机台架、动力总成台架和整车状态，对发动机的噪声性能水平进行主观评价与对比测试。而对于发动机噪声性能的开发控制与发动机噪声问题的分析诊断，其前提条件是需要清晰地掌握发动机噪声源的机理特征，以及噪声传递的路径方式，才有可能形成系统性的开发体系与可工程化的措施方案。

注：本文节选自《汽车发动机NVH性能开发与工程实践》，由机械工业出版社出版

本书从汽车NVH性能开发工程师的角度出发，努力将基础理论、产品设计、工程经验和措施方案等方面紧密地融合在一起，可以供汽车NVH性能开发工程师、发动机性能集成开发工程师、汽车动力系统设计开发工程师、高等院校振动噪声方向在校学生和科研人员等的阅读参考。

《汽车发动机NVH性能开发与工程实践》目录

第1章　发动机的振动激励分析1

1.1　发动机曲柄连杆机构的简介1

1.2　中心式曲柄连杆机构的运动学分析4

1.3　偏心式曲柄连杆机构的运动学分析8

1.4　单缸发动机曲柄连杆机构的质量换算9

1.4.1　活塞组的等效质量换算9

1.4.2　曲轴组的等效质量换算10

1.4.3　连杆组的等效质量换算11

1.4.4　曲柄连杆机构的两质点力系简化模型12

1.5　单缸发动机曲柄连杆机构的动力学分析13

1.5.1　缸内气体作用力13

1.5.2　往复惯性力14

1.5.3　离心惯性力15

1.6　单缸发动机曲柄连杆机构的力传递分解和受力分析15

1.6.1　活塞销中心的作用力和力传递分解15

1.6.2　曲柄销中心的力传递分解和受力分析16

1.6.3　曲轴主轴颈的力传递分解和输出转矩16

1.6.4　曲柄连杆机构的气动转矩和惯性转矩17

1.6.5　曲柄连杆机构的倾覆力矩分析18

1.6.6　曲轴主轴颈的反作用力分析18

1.6.7　单缸发动机曲柄连杆机构的激励载荷分析19

1.7　多缸发动机的振动激励分析20

1.7.1　多缸发动机的气缸序号和曲柄图20

1.7.2　多缸发动机的曲柄排列和发火顺序21

1.7.3　多缸发动机激励源的合成分析22

第2章　发动机的平衡性设计分析25

2.1　发动机平衡的基本概念26

2.2　单缸发动机的平衡性分析26

2.2.1　离心惯性力的平衡分析27

2.2.2　往复惯性力的平衡分析28

2.3　直列式多缸发动机的平衡性方法33

2.3.1　多缸发动机旋转离心惯性力和力矩的平衡方法33

2.3.2　多缸发动机往复惯性力和力矩的平衡方法35

2.4　直列式四冲程4缸发动机的平衡机构设计36

2.5　直列式四冲程3缸发动机的平衡机构设计38

2.5.1　3缸发动机激励源分析和平衡方案39

2.5.2　3缸发动机混合动力平台开发的平衡方案41

2.5.3　3缸发动机平衡轴机构的NVH性能测试对比41

2.6　平衡轴机构设计的基本要求43

2.7　平衡轴齿轮传动系统的常见噪声问题44

2.7.1　平衡轴齿轮传动NVH问题的案例44

2.7.2　平衡轴齿轮传动系统NVH性能的控制47

2.7.3　橡胶减振齿轮在平衡轴机构中的应用50

2.7.4　剪刀齿轮在平衡轴机构中的应用51

2.7.5　非金属齿轮在平衡轴机构中的应用52

2.8　仿真分析技术在发动机平衡开发中的应用53

2.9　多缸发动机的内部平衡分析53

第3章　发动机的噪声分析控制55

3.1　发动机噪声的分类55

3.2　发动机辐射噪声的测试评价58

3.2.1　基于整车状态的发动机振动噪声测试评价58

3.2.2　基于发动机NVH台架消声室的发动机辐射噪声测试评价59

3.3　发动机的燃烧噪声62

3.3.1　燃烧噪声的分类63

3.3.2　基于缸内压力频谱特征的燃烧噪声分析64

3.3.3　燃烧噪声的振动噪声传递特征分析67

3.3.4　燃烧噪声开发的控制69

3.4　增压直喷汽油机爆燃噪声的诊断控制71

3.4.1　普通爆燃与超级爆燃72

3.4.2　整车状态的超级爆燃排查诊断73

3.4.3　超级爆燃的影响因素与控制措施74

3.5　发动机的机械噪声简述75

3.6　活塞敲击噪声的分析控制76

3.6.1　常见的活塞敲击现象78

3.6.2　活塞敲击噪声的类型78

3.6.3　活塞敲缸的机理分析79

3.6.4　改善活塞敲缸问题的措施方案80

3.6.5　活塞销敲击的机理分析82

3.6.6　常见的活塞销敲击现象83

3.6.7　改善活塞销敲击问题的措施方案83

3.7　配气机构噪声的分析控制84

3.7.1　配气机构气门驱动方式的类型85

3.7.2　配气机构的常见噪声问题87

3.7.3　改善配气机构噪声问题的措施方案89

3.8　正时链传动噪声的分析控制96

3.8.1　正时链传动与正时同步带传动的性能比较97

3.8.2　正时链传动系统的结构组成99

3.8.3　 正时链传动的不均匀性分析（多边形效应）102

3.8.4　正时链传动系统的常见噪声问题104

3.8.5　改善正时链传动系统噪声问题的措施方案107

3.9　正时同步带传动噪声的分析控制112

3.9.1　正时同步带传动系统的结构组成112

3.9.2　正时同步带的振动特性分析116

3.9.3　正时同步带传动系统的常见噪声问题118

3.9.4　改善正时同步带传动系统噪声问题的措施方案122

3.10　发动机前端附件驱动系统噪声的分析控制125

3.10.1　发动机前端附件驱动系统的结构组成126

3.10.2　发动机前端附件驱动系统的振动特性分析131

3.10.3　多楔带传动的弹性滑动与打滑132

3.10.4　发动机前端附件驱动系统的常见噪声问题134

3.10.5　改善发动机前端附件驱动系统噪声问题的措施方案140

3.11　发动机噪声的识别分析技术143

3.11.1　发动机噪声识别方法的分类144

3.11.2　传统的发动机噪声识别方法145

3.11.3　基于信号处理技术的发动机噪声识别方法150

3.11.4　基于声学传感器阵列的发动机噪声识别方法156

3.11.5　基于智能网联技术的发动机噪声识别方法159

第4章　废气涡轮增压器系统的噪声分析控制161

4.1　废气涡轮增压系统的结构组成165

4.1.1　废气涡轮系统165

4.1.2　压气机系统167

4.1.3　中间轴承系统168

4.1.4　废气旁通阀系统169

4.1.5　进气旁通阀系统169

4.1.6　中冷器170

4.2　废气涡轮增压噪声的分类171

4.3　喘振172

4.3.1　喘振的常见工况172

4.3.2　喘振的类型173

4.3.3　喘振的机理174

4.3.4　喘振的识别方法175

4.3.5　改善喘振问题的措施方案175

4.4　轻度喘振噪声177

4.5　泄气声180

4.6　同步噪声183

4.6.1　同步脉冲噪声185

4.6.2　同步振动噪声186

4.6.3　同步脉冲噪声与同步振动噪声的识别190

4.7　次同步噪声191

4.7.1　轴承类型与油膜稳定性191

4.7.2　次同步噪声与油膜涡动193

4.7.3　径向轴承浮环类型与油膜涡动195

4.7.4　改善次同步噪声问题的措施方案196

4.8　次同步纯音197

4.9　超同步脉冲噪声198

4.10　高阶谐次噪声199

4.11　叶片通过频率噪声201

4.12　叶尖间隙气动噪声203

4.13　电锯噪声205

4.14　执行器异响207

4.14.1　废气旁通阀执行器的异响问题207

4.14.2　进气旁通阀执行器的异响问题208

第5章　进气系统NVH开发与工程实践210

5.1　基于整车的进气系统NVH性能集成开发流程211

5.2　进气系统的常见噪声问题213

5.2.1　进气系统的周期性压力脉动噪声213

5.2.2　进气系统的湍流噪声213

5.2.3　进气系统的气柱共振噪声214

5.2.4　进气系统的赫姆霍兹共振噪声214

5.3　进气系统NVH零部件的声学特性分析214

5.3.1　空滤器的声学特性设计 215

5.3.2　低频谐振腔的声学特性分析220

5.3.3　1/4波长管的声学特性分析221

5.3.4　1/2波长管的声学特性分析223

5.3.5　高频谐振腔的声学特性分析223

5.3.6　编织管的声学特性分析226

5.4　进气系统的声增强技术227

5.4.1　进气系统的声传导增强装置228

5.4.2　进气系统的电子模拟声装置230

第6章　排气系统NVH开发与工程实践231

6.1　排气系统NVH开发概述231

6.1.1　排气系统的结构组成231

6.1.2　排气系统的主要功能和设计要点232

6.1.3　基于整车的排气系统NVH性能集成开发流程介绍233

6.2　排气系统消声器的声学特性分析237

6.2.1　排气系统的阻性消声器238

6.2.2　排气系统的抗性消声器239

6.2.3　排气系统的复合阻抗式消声器241

6.2.4　排气系统的扩散式消声器242

6.3　排气系统的常见噪声问题243

6.3.1　排气系统的周期性压力脉动噪声244

6.3.2　排气系统的管路驻波噪声244

6.3.3　排气系统的赫姆霍兹共振噪声245

6.3.4　排气系统的孔腔流激振荡噪声245

6.3.5　排气系统的冲击波噪声247

6.3.6　排气系统的气流噪声249

6.3.7　排气系统的异响251

6.4　排气系统的双模式控制技术252

6.4.1　双模式排气系统的阀门装置和驱动方式252

6.4.2　双模式排气系统的匹配开发要点253

第7章　燃油系统噪声的分析控制255

7.1　发动机燃油系统噪声控制的概述255

7.1.1　发动机燃油系统的组成255

7.1.2　发动机燃油系统的功能作用255

7.1.3　怠速工况的发动机高压燃油喷射系统噪声分析256

7.2　喷油器噪声的分析控制257

7.2.1　喷油器的工作原理257

7.2.2　喷油器噪声问题的现象机理258

7.2.3　改善喷油器噪声问题的措施方案259

7.3　高压油泵噪声的分析控制261

7.3.1　高压油泵的工作原理261

7.3.2　高压油泵噪声问题的现象机理262

7.3.3　改善高压油泵噪声问题的措施方案262

7.4　炭罐电磁阀噪声的分析控制264

7.4.1　炭罐电磁阀的工作原理264

7.4.2　炭罐电磁阀噪声问题的现象机理266

7.4.3　改善炭罐电磁阀噪声问题的措施方案266

第8章　发动机NVH性能开发案例269

8.1　混合动力总成系统的发动机加速粗糙声269

8.1.1　问题现象269

8.1.2　解决思路270

8.1.3　措施方案271

8.2　前端附件轮系传动带的横向振动噪声异响271

8.2.1　问题现象271

8.2.2　问题测试和排查分析272

8.2.3　曲轴转动激励的测试对比273

8.2.4　整车静置状态的附件传动带频响特征测试274

8.2.5　措施方案275

8.3　BSG混合动力发动机的前端轮系传动带纵向振动控制与压缩机啸叫275

8.3.1　问题现象275

8.3.2　问题测试和排查分析276

8.3.3　潜在的机理分析278

8.3.4　解决思路280

8.3.5　措施方案281

8.4　急加速过程的节气门啸叫281

8.4.1　问题现象281

8.4.2　问题测试和排查分析282

8.4.3　潜在的机理分析283

8.4.4　措施方案284

8.5　不锈钢排气歧管的流致噪声问题分析控制285

8.5.1　问题现象285

8.5.2　问题测试和排查分析285

8.5.3　潜在的机理分析287

8.5.4　排气歧管的流致噪声CFD仿真分析优化287

8.5.5　措施方案288

8.6　怠速关空调工况燃油管路压力脉动引起的车内噪声289

8.6.1　问题现象289

8.6.2　排查分析289

8.6.3　潜在的机理分析290

8.6.4　解决思路291

8.6.5　措施方案292

8.7　发动机凸轮轴直驱的旋片式机械真空泵噪声问题分析优化293

8.7.1　问题背景293

8.7.2　问题测试和排查分析293

8.7.3　机械真空泵脉动噪声的传递路径分析296

8.7.4　解决思路297

8.7.5　措施方案297

参考文献299

发动机噪声的影响因素有很多，比如发动机类型、燃料种类、结构布置、功率大小、排量大小、转速范围、气缸直径、气缸数目和制造装配水平等因素都存在关联性。中小排量的汽车发动机是由成百上千个复杂的零部件组成的，发动机的工作过程是燃料热能从化学能转化为机械能的过程，这种往复式、间歇性和周期性的运转方式必然会导致发动机运动组件和工作介质引起各种类型的振动噪声问题。如图3-1所示，根据噪声源特征和声辐射方式的差异，可以将发动机噪声分为通过“空气声”路径直接辐射的空气动力学噪声类型，以及通过发动机表面结构辐射的结构振动噪声类型。如果根据发动机运转工况和噪声信号特征的差异，也可以分为稳态运行工况的发动机噪声（比如，怠速或者定转速工况）、准稳态运行工况的发动机噪声（比如，缓加速工况或者缓减速工况等）、瞬态运行工况的发动机噪声（比如，急加速工况、急减速工况、起动或者熄火等工况），以及发动机运行工况的异常噪声（异响）等。

其中，发动机的空气动力学噪声类型主要包括进气系统噪声、排气系统噪声和冷却风扇噪声，以及曲轴箱强制通风系统的噪声。在发动机气缸内混合燃料气体的燃烧过程中，不仅需要快速吸入大量的新鲜空气，并且还需要迅速地排出燃烧之后的高温废气，因此，发动机的进/排气过程常常会导致气流摩擦噪声、气体脉动噪声、吸气噪声和排气噪声等。进气系统噪声和排气系统噪声通常是增加管路消声元件进行控制，在发动机没有安装排气消声器的情况下，排气噪声往往是汽车发动机的最大噪声源。

此外，发动机的冷却风扇运转时，风扇叶片与周围空气的相互作用会产生谐阶次的空气压力脉动噪声和宽频带的涡流气动噪声，甚至可能出现气流与冷却风扇系统结构耦合的气弹性噪声问题。而对于直驱风冷式发动机而言，风扇噪声往往是发动机的最主要噪声源之一。

图3-1　发动机噪声的分类

如图3-2所示，发动机的结构振动噪声类型主要是指通过发动机表面结构振动的间接辐射噪声，或者通过发动机壳体结构透射出来的内部噪声，其中发动机的表面辐射噪声占绝对的主体成分，主要包括有燃烧噪声、机械噪声和液动力噪声等。

图3-2　发动机结构振动噪声类型的分类

在汽车行业内，对于发动机燃烧噪声概念还没有绝对统一标准的定义。通常来讲，燃烧噪声是由于气缸内燃料混合气体的燃烧过程中，缸内温度和气体压力急剧上升而产生的气体压力动态激励载荷和高频振荡的冲击波，激励起发动机曲柄连杆机构或发动机内部结构的振动，并通过表面壳体振动声辐射的方式或者声透射的方式传播到周围外界的噪声。在某些特殊情况下，搭载VVT（Variable Valve Timing）、VVL（Variable Valve Lift）或者VVD（Variable Valve Duration）可变气门技术的多缸发动机燃烧噪声可以借助于进气系统的通路结构传递到进气管口，并向外界传播出气缸内的燃烧噪声，导致车辆加速过程中出现缸内发火阶次相关的异常脉动噪声问题。

其实，汽车发动机的燃烧噪声和机械噪声是很难严格地完全区分的。因为部分的发动机机械噪声也是缸内混合气体燃烧过程间接激励引起的噪声，尤其是曲柄连杆机构系统的机械噪声问题常常与燃烧噪声混淆在一起。因此，如图3-3所示，根据发动机燃烧过程的激励载荷和传递路径方式的不同，也可以分为直接燃烧噪声和间接燃烧噪声。其中，假设在曲柄连杆机构没有间隙的理想情况下，由于间歇性的缸内气体脉冲压力作用而产生的噪声，被称为直接燃烧噪声。直接燃烧噪声的传播方式主要有三种，分别是通过发动机上部的缸盖和缸盖罩等部件的表面振动声辐射方式，缸内气体载荷激励缸套并通过发动机缸体表面振动声辐射方式，以及通过曲柄连杆机构组件传递到发动机下部的主轴承座和缸体等部件的振动声辐射方式。而考虑到曲柄连杆机构存在动态运动间隙的常规情况下（比如，活塞与气缸壁的间隙、连杆小头与活塞销的间隙、连杆大头与曲柄臂的间隙，以及曲轴主轴颈与轴承座的间隙等），缸内气体压力引起的发动机噪声被称为间接燃烧噪声。在同样的运动机构存在间隙情况下，由于周期性波动的往复旋转惯性力载荷激励引起的发动机噪声，则被称为机械噪声。

图3-3　发动机燃烧噪声的分类

其实，燃烧噪声与燃烧模式之间密切相关，尤其是燃烧过程热量释放的波动特征。即使在发动机的稳定燃烧工况下，燃烧噪声的声源或激励源也是复杂多变和不确定的。因此，根据燃烧过程的化学反应动力学原理和气相反应动力学原理，对直接燃烧噪声和间接燃烧噪声的定义也有不同的学术观点。在燃烧室容积空间有限的情况下，直接燃烧噪声的声源与气缸燃烧反应区域的体积膨胀或收缩不稳定过程之间存在关联性，这主要是由化学反应过程中热量释放速率波动产生的。而间接燃烧噪声是具有非均匀熵或涡旋分布的流体被加速时产生的附加噪声。当内燃机的缸内燃烧时，燃烧速率的时空变化会产生热粒子和冷粒子。燃烧产生的热粒子与平均流动中的冷粒子之间相互耦合作用，会引起缸内压力的扰动，从而引起间接燃烧噪声。由于热粒子的熵与周围的熵不同，因此这种间接燃烧噪声也被称为熵噪声。

显而易见的，燃烧噪声与缸内混合燃料气体的燃烧过程有着密切的关系。通常来讲，燃烧过程越剧烈，发动机引起的燃烧噪声就越显著。因此，压燃式CI（Compression Ignition）发动机的燃烧噪声要比火花点燃式SI（Spark Ignition）发动机更加明显，柴油发动机的燃烧噪声要比汽油发动机更高，燃油直喷式DI（Direct Injection）发动机的燃烧噪声占比往往也要高于进气道喷射的非直喷发动机，天然气、氢或醇类等代用燃料发动机的燃烧噪声特性，则根据代用燃料的化学性能不同而有所不同。而水冷式发动机的气缸外层包裹有冷却水套，具有更好的振动衰减和透声阻隔性能，因此水冷式发动机的燃烧噪声通常要比风冷式发动机的燃烧噪声要更低一些。

关于发动机机械噪声的定义，一般都笼统地表述为发动机运转过程中各种机械零部件系统相互接触、相互撞击或者发生弹塑性变形振动而产生的噪声，主要包括曲柄连杆机构系统的机械噪声、配气机构噪声、正时传动系统噪声、燃油喷射系统噪声、燃油供给系统噪声、点火系统噪声、机油润滑系统的机械噪声、水冷循环系统的机械噪声、发动机起动系统噪声，以及发动机附件系统的机械噪声等。比较典型的发动机机械噪声问题有活塞敲击噪声、活塞环摩擦噪声、连杆敲击噪声、气门落座噪声、气体弹簧振动噪声、正时链条或传动带的传动噪声、滚子轴承或滑动轴承的噪声、齿轮传动的啸叫敲击、喷油器噪声，以及冷却水泵和机油泵等附件系统部件的工作噪声等。

而发动机的液动力噪声类型主要包括水冷循环系统、机油润滑系统、燃油供给系统和燃油喷射系统的流体噪声，这可能涉及气液两相混合可压缩黏性特征相关的复杂流体噪声问题，比如流体压力脉动激发的流动力噪声、高压高速流体“空泡效应”或者“空穴效应”（Cavitation Effect）等引起的液流冲击噪声，以及流固耦合引起的共振噪声问题等。

内容简介：本书重点针对发动机NVH性能开发过程中的重点机构和零部件系统分别进行了阐述，共分成8章：第1章为发动机振动激励的基本原理和理论基础部分，主要介绍了单缸和多缸发动机的振动激励分析机理。第2章则详细地阐述了发动机平衡性设计开发的概念方法和常见的衍生NVH问题。第3章从发动机噪声的分类、发动机噪声的测试评价及各种类型噪声的识别分析技术等，并提供了较全面的问题分析排查方法和工程解决措施方案。第4章详尽地阐述了各种类型的增压器噪声问题。第5章介绍了进气系统的NVH性能集成开发流程、常见的进气系统噪声问题、进气系统关键零部件的声学特性分析和进气系统的声增强技术。第6章介绍了排气系统NVH性能集成开发的要素、不同消声器类型的声学特性分析和排气系统的常见噪声问题。第7章介绍了发动机燃油系统的噪声问题。第8章介绍了常见的发动机NVH性能开发典型案例。

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作者简介

张军，工学博士，毕业于上海交通大学机械设计与理论专业，正高级工程师，始终坚守在振动噪声领域研究和车型产品NVH性能开发工作的第一线，擅长快速解决NVH领域的“疑难杂症”，积极开展汽车NVH技术的基础理论研究和流程体系建设，探索汽车NVH技术与智能网联技术的融合实践，积极推动中国自主品牌汽车企业的NVH开发核心技术发展与NVH专业技术人才培养，已发表学术论文140多篇申请专利40多项，兼任多所高校的研究生指导老师，兼任国内外多个学术期刊的审稿人，现为赛力斯汽车有限公司资深NVH专家。

本书由机械工业出版社出版，本文经出版方授权发布。