为什么乘用车的发动机声音能做得很安静?


Sleepy Lin

因为有一门玄学叫做 NVH (Noise/Vibration/Harshness)。

声音起源于振动,所以不论是空气的振动也好(进排气),机械结构的振动也好,都会产生噪声。

其中发动机的噪声可以占到总噪声的 35% 左右,进排气可以占到 30%,轮胎 15% 左右,剩下的一共 20% 左右。汽车上影响噪声的零部件可以分为三种,一种是声音来源,比如发动机;一种是缓冲系统,比如悬置系统;一种是天然功放,比如车身。

当然,在真正进行噪声控制的过程中,有方方面面的问题需要注意,不仅需要控制每个子系统,还需要针对各种各样的工况进行考虑,比如发动机起动、减速和制动时,车身的抖动。至于控制噪声的方法,一种是从产品设计的开始,就针对未来可能出现的振动问题进行优化,比如设计悬置系统的时候,悬置的布置尽可能选择在车身振动灵敏度较低的地方;一种是对于已产生的噪声毫无办法,只能在后天进行弥补,比如排气管的消声器。

可能每个单独的部分能够改善的余地都很有限,但综合起来,就能得到很好的效果。就如汽车上减油耗一样,细微到每一个环节,曲轴油封用上比较好的技术可以改善自身 35%的摩擦,但对油耗的改善仅有 0.01%,每个环节的提升都很难,但就是每个环节都得这么做,累积到整车上才能得到比较可观的数量。

声音是由振动引起的,所以在 NVH 有一个高频词叫做振动模态,实际上我认为单词更容易理解…

Operating deflection shape,它是结构系统一种固有的振动特性,私以为(政治不正确)

可以理解为”物体对某一种振动形态的趋势“,当然它是用频率来表征的。

通常我们需要用多少个独立运动参数才能描述一个机构的运动,就认为这个机构有多少个自由度,每个单独的自由度上,都会有自己的振动属性,多个自由度上的振动叠加,形成最后的我们所看到的振动形态,不是,我们看不到……但声音就是这种振动的结果。

所以反过来,物体的总的模态属性,通过线代 / 常微分可以解耦成若干个单独的解,每个解就是每个自由度上的模态属性(每一阶模态对应一个自由度)当然由于系统里各个零件相互约束、相互影响,自由度可以有很多,甚至无限多,解耦后的模态也有很多很多个阶次,但是…上下、左右、前后的位移,以及围绕三个方向上的旋转,就是物体最普通的的六个自由度了,在约束模态里,它们所对应的六个阶次,比较值得关注,其中频率最低的前两阶模态,又是这六个阶次中最重要的两个。

知道模态频率有什么用呢。

比如发动机转速 6000rpm/min 时,每秒就是 100 转,每转每缸活塞往返一次,发动机晃动的趋势(多缸结合更复杂不提了)每秒就是 200 次,即 200Hz。假如有某个零部件的固有频率在 200Hz 左右的话,就很容易被激励起来,发生共振。设计零部件的时候,就需要让固有频率尽量避开这种激励源的频率。

通过有限元的求解(随意百度一张),一般可以仿真出物体上扭转、位移的形态以及相对应阶次的模态,但计算模态也分约束模态、自由模态等等,具体的频率要结合系统装配的约束关系以及一些边界加载的条件才有参考价值。

那么 NVH 究竟从哪些方面上去控制乘用车的噪声呢,零部件太多了,就举几个例子吧。

发动机自身的噪声主要来自于燃烧噪声和机械噪声。

燃烧时(爆炸能不有声音吗)缸内压力的急剧波动产生零部件结构的振动,以及气体冲击波引起的振动,归根结底都是气缸内气体压力的变化,因此一般通过控制缸内压力在爆发期的增长率来控制噪声,比如适改进燃烧室的结构,调节喷油量,增压技术等等,缩短着火时间,降低压力升高率。

机械噪声主要来源于活塞往复运动时对气缸壁面的敲击。活塞将往复运动通过连杆转变为曲轴的旋转运动,实际上会受到一个侧向的力,因为受到气缸壁面的限制才能够保证往复运动的一致性,由于与气缸壁面的敲击,活塞与气缸壁之间的间隙调整就显得很重要,此外活塞的裙部上也可以覆盖一些材料来增加振动的阻尼,对敲击的能量进行缓冲。

怠速时,手动挡变速器处于空挡状态,离合器处于结合状态,发动机的转矩通过离合器传递到变速器的齿轮上,但空挡时变速器的被动轴却是空转的,由于发动机的转矩并不是恒定的,一定程度上的波动会引起变速器的主动齿轮和从动齿轮发生打齿现象,进而产生噪声。减小这种噪声通常需要增加飞轮的惯性矩,降低曲轴输出时角速度的变动量,或者调整离合器压盘的扭转刚度特性,将波动隔开于发动机与变速器两者之间。

汽车起步时速度开始往上加,发动机的转速也由怠速的 700rpm 增加到 2000rpm 左右,后悬架的缠绕振动模态(扭转)频率通常在这个范围里,就很容易受到激励,激励传递到车身,车身、车内空间会产生轰鸣的噪声。控制这种噪声就需要通过调整悬架的前后刚度,悬置的弹性刚度,在适当的地方使用吸振器等等,甚至调整离合器的刚度曲线。

制动时,由于惯性作用车身会发生抖动,频率一般低于 100Hz,制动系统与运动副之间的粘滑摩擦也会产生噪音,一般在 100~1000Hz ,而这两者之间的振动则会产生 1000Hz 以上的高频啸叫,影响这几种噪声的因素就很多了,比如制动盘转子的热变形,制动鼓的初期圆度状态、安装精度,一些摩擦材料的特性等等,所以对制动鼓进行改造,变更安装方法等等可以适当的改善噪声。

进排气也是一个比较大的噪声来源,比如气体燃烧时产生的压力引起排气管振动,排气管吊挂将这个振动传递到车身,不巧几个自由度上的振动混合在一起形成更神奇更难以捉摸更复杂更变态的振动(即模态发生耦合)也会产生轰鸣声,降低这种声音主要就靠消音器了。消音器主要有三种,通过消音器内部气流的阻抗,反射声波能量进行降噪的抗性消音器,在管道内设置吸音材料吸收声能转化成热能的阻性消音器,以及在原声波上加个振幅相同相位相反的声波,使其相互抵消的主动消音器。

等等等等。

造成噪声的主要有这些项。

车上的每一个零部件都可以单独拿出来谈谈心,为什么你不听话,为什么你听到某些节奏就不由自主的摆动身躯,为什么你自己摆动就算了你还要教别人摆。

所以从设计的初期对零部件进行优化,有必要提高零部件自身的模态属性,否则零部件可能会怪工程师给它嗑药。尽可能的避开发动机的激励区间是最好的,当然路面坑坑洼洼造成的振动也是有的,不是只有发动机单独一个激励源;不好处理的地方就只能靠车厢内的吸音材料,或者像谐振腔控制进气噪声,消音器控制排气噪声这样进行后天补救了。

但事实上,除了后天补救这些天生降噪必然存在的零部件的以外,大多数的零部件都有自己本身存在的意义,比如离合器用来传递动力,变速器用于调节负荷,配气机构用于协调进排气等等,设计的时候考虑更多的是他们自身所带有的功能属性,降噪设计可能会以牺牲他们本身的功效为前提,这时候就需要看整车的需求,做取舍折中 balance 了,说到底每个人的生活不就是不停的 balancebalancebalance 一不小心不 balance 就崩溃了吗。

国产车 NVH 注重的比较晚,过去急于赶上合资品牌的性能,在这些方面考虑的比较少,这些年性能上慢慢追上来了,舒适性也就得到了更多的关注,所以大多自主品牌,也开始有自己的 NVH 部门了,一方面加入各个零部件的性能强度疲劳寿命仿真本营,在设计初期成为 CAE 的常驻分析子项,对设计进行反馈;一方面对试制样车进行测试,分析各个零部件的振动,或者异响的来源,再有针对性的去对这些异响进行解决。

对这些不正常的声音进行排查是非常有意义的,不仅仅是为了降噪而已,比如声音听起来奇怪,频率幅值对不上等等,往往是零部件的功能缺陷引起的,不断排查追寻其声源,可以及时发现质量问题。

而由于声源的复杂性,NVH 通常在消音室内完成试验。

Somewhere artistical.

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