發(fā)動機進氣噪聲及汽車NVH簡介

1、一、一、汽車噪聲汽車噪聲 噪聲是工業(yè)社會帶來的副產品，它與大氣污染和水污染一起被認為是當今世界三大公害。與其他兩個公害相比，噪聲的影響面最廣，感覺最直接，人們反映也最多。汽車作為一種主要的交通工具日益普及和增長，因而汽車噪聲所造成的環(huán)境污染也日益嚴重。汽車噪聲的種類：產生汽車噪聲的主要因素是：空氣動力、機械傳動、電磁三部分。從結構上可分為發(fā)動機噪聲,底盤噪聲,電器設備噪聲,車身噪聲。 其中發(fā)動機噪聲占汽車噪聲的二分之一以上,包括本體噪聲(如發(fā)動機振動,配氣軸的轉動,進、排氣門開關等引起的噪聲)和進氣噪聲。 隨著發(fā)動機技術的突飛猛進, 發(fā)動機噪聲有較大幅度的降低。發(fā)動機之外的其他噪聲來源如傳動系

2、噪聲、輪胎噪聲、排氣噪聲以及車身壁板結構振動輻射噪聲等, 對車輛整體噪聲的貢獻份額相對增大 。對于小型高速機和大型增壓機來說，進氣噪聲有時比發(fā)動機本體噪聲高出多達5dB(A)，成為僅次于排氣噪聲的主要噪聲源。排氣噪聲是發(fā)動機最主要的噪聲源，往往比本體噪聲高出10-15 dB(A).此外,汽車輪胎在高速行駛時,也會引起較大的噪聲。這是由于輪胎在地面流動時,位于花紋槽中的空氣被地面擠出與重新吸入過程所引起的泵氣聲,以及輪胎花紋與路面的撞擊聲。 進氣噪聲進氣噪聲1、進氣系統(tǒng)發(fā)動機是汽車的心臟，而進氣系統(tǒng)則是發(fā)動機的動脈，也有人將進氣系統(tǒng)比喻為汽車的呼吸系統(tǒng)。進氣系統(tǒng)的合理性直接影響發(fā)動機的性能、壽命

3、，從而影響整機的性能、壽命及環(huán)保性。進氣系統(tǒng)包含了進氣歧管、進氣門機構、空氣濾清器。空氣濾清器一般由進氣導流管、空氣濾清器蓋、空氣濾清器外殼和濾芯等組成?？諝鉃V清器的功用主要是濾除空氣中的雜質或灰塵，讓潔凈的空氣進入氣缸。實踐證明，發(fā)動機不安裝空氣濾清器，其壽命將縮短2/3。另外，空氣濾清器也有降低進氣噪聲的作用。 。直接向大氣輻射的空氣動力噪聲包括：進氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲。 5dB(A)進氣空氣動力噪聲（與發(fā)動機點火頻率相同） kinzf2*60n:轉速 z:發(fā)動機缸數(shù) i: 發(fā)動機沖程系數(shù)（四沖程為2）k:諧波次數(shù)（階次數(shù)） f f: 噪聲頻率2、燃燒和撞擊聲： 頻率1000以上

4、（大約）3、空氣摩擦噪聲： 頻率8001000Hz以上（大約）三、進氣噪聲的控制三、進氣噪聲的控制1.噪聲的控制噪聲的控制 所有的噪聲問題基本上都可以分為三部分：聲源傳播途徑接收者。 因此，一般噪聲控制技術都是分為三部分來考慮。首先是降低聲源的噪聲，如果做不到，或都能做到卻又不經濟，則考慮從傳播途徑中來降低。如上述方案仍然達到要求或不經濟則可考慮接收者的個人防護。(1)聲源控制 降低聲源本身的噪聲是治本的方法 (2)噪聲傳播途徑控制 (a)吸聲：主要利用吸聲材料或吸收結構來吸收聲能。 (b)隔聲：用屏蔽物將聲音擋住，隔離開來，是控制噪聲最有效措施之一。 (c)消聲：消聲就是利用消聲器來降低空氣

5、中聲的傳播。 (3)個人防護(護耳器)2.進氣噪聲的控制進氣噪聲的控制 2.1聲源控制 2.1.1合理的設計和選用空氣濾清器?？諡V是發(fā)動機有效的進氣消聲器，空濾所占的體積可作為膨脹性消聲器的膨脹腔，濾清器的容積達到發(fā)動機容積的五倍以上，就能達到良好的消音效果， 一般來說，容積越大消音效果就越好。但受前倉空間的限制，空濾不可 能做的非常大，因此消音效果受到限制。 空濾的濾芯是阻性消聲器良好的吸聲材料。合理設計進氣管道和氣缸蓋進氣通道，減少進氣系統(tǒng)內壓力脈動的強度和氣門通道處的渦流強度。導流管 進氣管探入空濾器本體內，配合空濾本體內氣道設計來消除噪聲。 空氣濾清器相當于一個擴張消音器，影響其傳遞損

6、失的因素有兩個：擴 張比m和濾清器的長度L。 擴張比越大越好，有兩種辦法提高擴張比：一是減小管道的尺寸，二是 增加濾清器的截面積。減小管道尺寸會使得功率損失增加，而增加濾清 器的截面積又受到安裝空間的限制。將進入管和輸出管插入到濾清器中 也可以提高濾清器的傳遞損失。 傳遞損失可以用以下公式來表達： 22)2cos()2cos(2sin125. 01lg10baLLLmmTL0bL22)2cos(2sin125.01lg10aLLmmTL0)2cos(aLaLcf4 4aL 一般來說，減小空濾進氣管的截面積有顯著的降噪效果； 增加進氣管長度能夠降低低速噪聲，但同時中高速噪聲會有較多的增大； 減小

7、空濾出氣管的面積，對進氣噪聲的降低效果不是很明顯，反而影響到發(fā)動機的充氣效率有較大波動；2.1.2 引進消聲措施。 主要是增加赫爾姆茲消音器（諧振腔）和四分之一波長管。 赫爾姆茲消音器一般是用來消除低頻噪聲，而四分之一波 長管用來消除高頻噪聲。如果要用四分之一波長管來消除低頻噪聲， 那么波長管必須做得很長，但是太長的管道很難安裝。 這兩種消音器的目的都是消除窄頻帶的噪聲，但是赫爾姆茲消音器的消音頻 帶比四分之一波長管要寬，所以赫爾姆茲消音器比四分之一波長管顯 得更重要。 進氣系統(tǒng)中，低頻噪聲成分往往非常大，而控制低頻要采用赫爾姆茲消 音器。所以在汽車設計初期，要盡可能地給進氣系統(tǒng)留出較大空間，

8、以 便安裝赫爾姆茲消音器，一般來講赫爾姆茲消音器不能安裝在空氣濾清 器上。 諧振腔式消聲器諧振頻率計算公式(如下圖)： 其中：C-為空氣中的音速 L-接管長度 S-接管平均斷面積 V-諧振腔的容積 f-諧振頻率 四分之一波長管四分之一波長管四分之一波長管是安裝在主管道上的一個封閉的管子，如下面圖所示。 聲波從主管道進入旁支管后，聲波被封閉端反射回到主管，某些頻率 的聲波與主管中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，從而達到 消音目的。 這個旁支管的傳遞損失為： 式中L是四分之一波長管的長度，而m是主管截面積與波長管截面積的比值 當 （n=1,2,3）時，傳遞損失達到最大,旁支管長為： 四分之一

9、波長管共振的頻率為： 2102tan411log10LmTL2122nL412nLLcnf4)12(0 旁支管的頻率只取決于管道的長度，管道越長，頻率越低。從上式知道，影響四分之一波長管傳遞損失的參數(shù)有兩個，一個是旁支管的截面積與主管截面積的比值m，另一個是波長管的長度。 四分之一波長管的一端是開口的，一端是封閉的，在開口處的聲波會象活塞一樣運動，存在輻射聲阻抗，因此管道的實際工作長度增加，需要對開口端進行修正。對四分之一波長管來說，主管的管壁相當于法蘭，於是四分之一波長管的實際長度應該為： 式中 和 分別是實際長度和計算長度，修正頻率為： 38rLLaaLLaLcf40進氣噪聲的優(yōu)化 進氣噪

10、聲的測量及主觀評價 噪聲頻譜分析 確定進氣噪聲產生的原因（多種） 布置諧振腔或1/4波長管 樣件準備及驗證試驗 布置確認及工裝樣件開發(fā)TURBO NOISE DAMPERDUCT WITH INTEGRATED RESONATOR OR WAVECOMPLETE LINE WITH RESONATOR & POROUS DUCT1、國外車型各種消聲結構Admission line : filter & hosesASTRA : Diesel & Gasoline enginesFilterYaris Gasoline & DieselCorolla Gasoli

11、neAvensis Gasoline & DieselVECTRA & SAAB 9.3 : Diesel & gasoline enginesFlexible elbowDecoupling elementClean air shellFilterDirty air shellFilter connectionFlexible elementResonator OrificeExample Jaguar(美洲虎） X150 Air Induction systemShanghai GM L850 Air Induction SystemProd. Location :

12、 Shanghai, ChinaProcess: Snap fit designS.O.P.: 02/2006Annual Volume: 110,000 Integrated Plug-in MAF sensor2、目前我公司幾款車型進氣系統(tǒng)情況試驗后布置兩個諧振腔老狀態(tài)A21進氣系統(tǒng)更改后增加布置兩個諧振腔初期A15(BMW)進氣系統(tǒng)B11進氣系統(tǒng)在參考原車時就設計有諧振腔B11及B14進氣系統(tǒng)諧振腔S11沿用MATIZ進氣系統(tǒng),設計有諧振腔二、汽車二、汽車NVHNVH 隨著汽車市場競爭的日益激烈和市場對汽車產品要求的日趨多樣化，促使各整車和零部件企業(yè)的產品開發(fā)的周期越來越短。 過去那種集

13、整車和零部件開發(fā)于一體的開發(fā)方式已走向越來越分工和專業(yè)化。隨著中國加入世貿組織，零部件的全球采購已成為可能，這不僅大大提升了零部件對整車開發(fā)的支持力，而且在向整車開發(fā)提供高質量零部件的同時也促使整車開發(fā)方式轉變，整車開發(fā)已成為除車身結構的設計外，主要是零部件的(結構)整合和(性能)匹配(標定)行為。從一定意義上講，整車開發(fā)已不在是單純的結構設計和機構的實現(xiàn)，如何在取得優(yōu)質零部件總成的基礎上，整合匹配出滿足法規(guī)和標準要求或最優(yōu)的整車系統(tǒng)性能，已成為整車開發(fā)的核心。影響汽車乘坐和使用環(huán)境重要因素的振動噪聲性能，作為重要的法規(guī)和競爭指標在當今產品競爭中體現(xiàn)的越來越舉足輕重。 在目前同檔次車型在常規(guī)性

14、能方面的綜合性價比越來越接近且均已達到較高水平的情況下, 提高車輛噪聲控制水平已成為新的競爭焦點和技術發(fā)展方向, 車輛的NVH性能正逐漸演變?yōu)橹匾脑O計指標, 這也是用戶所關心的整車性能指標之一。汽車噪聲控制水平必將成為決定車型開發(fā)成功與否的不可或缺的重要因素之一。 根據1996年對歐洲汽車市場的調查，由于汽車的性能、質量等方面均已達到較高的水平，因此顧客對乘坐舒適性的要求明顯提高，僅次于汽車款式。 對于中小型汽車，由于市場的激烈競爭使得汽車的重量、價格等因素被嚴格約束，這就使以改善汽車乘坐舒適性為目的的汽車NVH特性的研究變得更加重要。 由于對于汽車NVH問題用戶的感受是最直接和最表面的，在

15、很大程度上反映出生產廠家的設計水平及工藝水平，因此它是汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)重點關注的問題之一。有統(tǒng)計資料顯示，整車約有1/3的故障問題是和車輛的NVH問題有關系，而各大公司有近20%的研發(fā)費用消耗在解決車輛的NVH問題上。1.汽車的NVH特性 NNoise噪聲) VVibration(振動) HHarshness聲振租糙度) 聲振粗糙度是指噪聲和振動的品質，是描述人體對振動和噪聲的主觀感覺的，不能直接用客觀測量方法來度量。由于聲振粗糙度描述的是振動和噪聲使人不舒適的感覺，因此有人稱Harshness為不平順性。 又因為聲振粗糙度經常用來描述沖擊激勵產生的使人極不舒適的瞬態(tài)響應，因

16、此也有人稱Harshness為沖擊特性，當汽車通過接縫或凸包時將產生瞬態(tài)振動，它包括沖擊和緩沖兩種感覺。系統(tǒng)剛度越大，車身瞬態(tài)振動的幅值越大，沖擊越嚴重，同時固有頻率增加使振動衰減變快，緩沖的效果變好?？偟恼f來，聲振粗糙度描述是振動和噪聲共同產生的使人感到極度疲勞的感覺。 簡單地講，乘員在汽車中的一切觸覺和聽覺感受都屬于NVH研究的范疇，此外，還包括汽車零部件由于振動引起的強度和壽命等問題。從NVH的觀點來看，汽車是一個由激勵源(發(fā)動機、變速器等)、振動傳遞器(由懸掛系統(tǒng)和邊接件組成)和噪聲發(fā)射器車身)組成的系統(tǒng)。 汽車NVH特性的研究應該是以整車作為研究對象的，但由于汽車系統(tǒng)極為復雜，因此經

17、常將它分解成多個子系統(tǒng)進行研究，如底盤子系統(tǒng)(主要包括前、后懸架系統(tǒng))、車身子系統(tǒng)等，也可以研究某一個激勵源產生的或某一種工況下的NVH特性。2. NVH分類 研究及開發(fā)實例而對NVH噪聲定義、測量評價分析及噪聲的控制往往是通過研究車外和車內的噪聲振動情況來體現(xiàn)。車外車外NVH噪聲噪聲 影響車外噪聲的主要有發(fā)動機噪聲、冷卻噪聲、排氣噪聲、輪胎輻射噪聲和排氣系統(tǒng)的再生輻射噪聲以及其他機械噪聲。這些噪聲一般在中高頻范圍內，由于車外噪聲直接構成了對周圍環(huán)境的污染排放，因此各國都有嚴格的限值和測試方法。加速行駛車外噪聲加速行駛車外噪聲是對于整車噪聲水平等綜合評價，是汽車認證最重要的指標之一。各國的認證

18、標準對測量方法的規(guī)定基本相同(包括剛剛頒布我國標準GB1495-2002)，由于各國發(fā)展水平不同因此限制有一定的差異(比如：GB1495-2002對于轎車的限值要比歐洲大3dB(A)。目前最具先進性而且被廣泛采用的要屬歐共體51號法規(guī)(即：ECE Reg. No.51)測量方法和相應的限值。汽車定置噪聲實際上是整車無負荷狀態(tài)下對發(fā)動機和排氣噪聲的評價，一般作為對車外噪聲評價的補充，其方法和限值標準也是作為車外加速噪聲測量標準的附件。 車內車內NVH噪聲振動噪聲振動 車內噪聲源振動和噪聲是車內乘坐環(huán)境和乘坐舒適性的總要組成部分。按照頻率范圍可分為： A. 影響行駛平順性的低頻振動：它產生的主要振

19、源由于路面不平度激勵使得汽車非懸掛質量共振和發(fā)動機低頻剛體振動，從而引起懸上過大的振動和人體座椅系統(tǒng)的共振造成人體的不舒適，其敏感頻率主要在1-8Hz(最新的研究表明：當考慮人體不同方向的響應時可到16Hz)。 由于該指標于人體生理主觀反映密切相關，因此試驗和評價往往采用測試和主觀評價相結合，在國外一般只有公司標準和限值。 B. 車身結構振動和低頻噪聲：大的車身結構振動，不僅引起自身結構的疲勞損壞，而且更是車內低頻結構輻射噪聲源。其頻率主要分布在2080Hz 的頻帶內。由兩方面引起：(1)激勵源；主要有道路激勵、動力傳動系統(tǒng)尤其是動力不平衡和燃燒所產生的各階激勵、空氣動力激勵；(2)車身結構和

20、主要激勵源系統(tǒng)的結構動力特性匹配不合理引起的路徑傳遞放大。汽車汽車NVH根據問題產生的來源又可分為發(fā)動機根據問題產生的來源又可分為發(fā)動機NVH、車身、車身NVH和底盤和底盤NVH三大部分，三大部分，進一步還可細分為空氣動力進一步還可細分為空氣動力NVH、空調系統(tǒng)、空調系統(tǒng)NVH、道路行駛、道路行駛NVH、制動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)NVH等等等。等。3.NVH的開發(fā)步驟：的開發(fā)步驟： 在汽車開發(fā)過程中，確定客戶要求、診斷故障識別噪聲、控制降低噪聲是研究NVH的重要三步驟，由于三步驟之間的關聯(lián)性，在實際的開發(fā)過程中相輔相成。步驟一：明確客戶要求 現(xiàn)代轎車一般都能輕易滿足振動噪聲方面的強制性法規(guī)，但是客戶對

21、乘坐舒適性的要求越來越高加之日益激烈的市場競爭，NVH問題已從原有的法規(guī)強制轉變?yōu)榭蛻魪娭啤Ｒ虼嗽趯嶋H開發(fā)過程中，要根據客戶的要求進行測量，除了提交測量結果外，還給出一定程度的結論或主客觀評價。所有提供給客戶的“產品”應保證正確、公正，并滿足客戶要求。客觀評價是用描述振動噪聲的參數(shù)如加速度、聲壓等來評價車輛NVH性能?？梢酝ㄟ^試驗或分析手段得到這些客觀參數(shù)。系統(tǒng)的動態(tài)特性或系統(tǒng)的響應均可作為客觀參數(shù)如：靜態(tài)和動態(tài)剛度、傳遞函數(shù)、模態(tài)頻率和振型、聲壓級等。 然而，NVH問題最終應該由主觀評價來完成?？蛻敉ㄟ^直接接觸來體驗感覺車輛情況，客戶的反應來自于他們的感覺、印象或是否喜歡這款車?？蛻敉鶗o

22、出定性地描述：如感覺太硬或太吵。因為不同的人對同一輛車的評價往往不同，這取決于個人的背景、經歷、期望、心情及其它與車輛無關的因素重復性差、對車輛小的修改不敏感。從心理聲學的角度來分析,無論如何，汽車總是要發(fā)出聲音的；車廂的隔音措施再好，也不能把所有的聲音都擋在外面。另一方面，人們也需要、或喜歡汽車發(fā)出的某些聲音，如喇叭聲，年青人偏愛跑車馬達所發(fā)出的某種有力的聲音。因此當車輛的總體噪聲水平顯著降低后，人們開始愈來愈講究他們聽到的聲音的“品質”；人耳是靈敏的，原本被發(fā)動機和排氣管的轟鳴聲、尖嘯聲淹蓋的其它噪聲，此時都顯露了出來，有不少是令人不快的，有些則反映了零部件的故障。這些都對NVH的測量、分

23、析和零部件的改進提出了更高的要求。心理聲學用量化指標來反映人們對聲音 “好壞”的感覺，例如響度，粗糙度，尖銳度。人有五官感覺，且非常靈敏，同時人又是汽車產品的惟一使用者，其評價優(yōu)劣是產品成敗的關鍵所在之一，因此NVH方面的主觀評估是車輛及其零部件質量檢驗、故障診斷的必要手段。步驟二故障診斷在開發(fā)過程中，客戶的車輛或零部件出現(xiàn)了原因不明的、異常的振動噪音，就需要我們幫助他們找到引起這種振動噪音的根源進行必要的故障珍斷，而這些工作離不開對測量方法和測量儀器的掌握和正確運用，也離不開識別各種振動噪音的知識和經驗的逐步積累。試驗NVH方法與CAE計算分析手段結合，對于故障診斷和噪聲源識別方面往往能產生

24、很好的效果。試驗模態(tài)分析結果可用來驗證和修改有限元分析模型；試驗的測量數(shù)據既可作為輸入參數(shù)，由有限元分析模型計算需要的量，也可作為輸出結果，驗證有限元分析的結果；對于一部份難以建立有限元模型的構件采用試驗模態(tài)模型，而對希望改進的構件采用有限元分析模型，將兩種構件“裝配”在一起，型成一種“混合型”的分析模型。然而，噪聲診斷只是為了發(fā)現(xiàn)問題，查出根本原因，并沒有達到客戶的最終目的?？蛻敉M一步希望消除或減少這種振動噪聲。作為汽車開發(fā)人員，我們需要不僅能夠發(fā)現(xiàn)問題，還要能夠解決問題。步驟三根據客戶提出的目標，對某一對象設計并實施減振、降噪隔音的方案。以下是實現(xiàn)減振降噪的一些基本方法： 消除振動噪音

25、產生的根源。這涉及到修改產生振動噪音的零部件結構，例如改善其振動特性，避免共振；改進旋轉件的平衡；減小相對運動元件之間的磨擦；改善管道內氣體或液體流動狀況；改善包裝容器的剛度及密封性能；施加與噪聲源振幅相當而相位相反的聲音等等。產品的改進既可以是在原件基礎上的修改，也可以是工作原理的重大變革。這一點僅靠NVH工程師往往是很難完成的，必須與有關的產品工程師協(xié)同工作才能實現(xiàn)。 切斷振動噪音傳遞的路徑。涉及到對結構振動傳遞特性的分析和改進，使之對振動噪聲具有明顯的衰減作用而不是放大。就車內降噪而言，對結構密封性能的分析和改進，對各種吸音材料特性的了解和應用，并且掌握骨架結構與吸音材料的搭配使用的方法。例如：質量阻尼減振器、共振腔消音器。它們主要是用于窄帶振動或噪音成份的減弱和消除?；镜臏y量理論和方法、數(shù)據處理理論，現(xiàn)成的教科書里有，花上時