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為什麼乘用車的發動機聲音能做得很安靜?

2018年03月24日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 9 ℃ 次

【SleepyLin的回答(162票)】:

因為有一門玄學叫做NVH (Noise/Vibration/Harshness)。

聲音起源於振動,所以不論是空氣的振動也好(進排氣),機械結構的振動也好,都會產生噪聲。

其中發動機的噪聲可以佔到總噪聲的35%左右,進排氣可以佔到30%,輪胎15%左右,剩下的一共20%左右。汽車上影響噪聲的零部件可以分為三種,一種是聲音來源,比如發動機;一種是緩衝系統,比如懸置系統;一種是天然功放,比如車身。

當然,在真正進行噪聲控制的過程中,有方方面面的問題需要注意,不僅需要控制每個子系統,還需要針對各種各樣的工況進行考慮,比如發動機起動、減速和制動時,車身的抖動。至於控制噪聲的方法,一種是從產品設計的開始,就針對未來可能出現的振動問題進行優化,比如設計懸置系統的時候,懸置的佈置盡可能選擇在車身振動靈敏度較低的地方;一種是對於已產生的噪聲毫無辦法,只能在後天進行彌補,比如排氣管的消聲器。

可能每個單獨的部分能夠改善的餘地都很有限,但綜合起來,就能得到很好的效果。就如汽車上減油耗一樣,細微到每一個環節,曲軸油封用上比較好的技術可以改善自身35%的摩擦,但對油耗的改善僅有0.01%,每個環節的提升都很難,但就是每個環節都得這麼做,累積到整車上才能得到比較可觀的數量。

聲音是由振動引起的,所以在NVH有一個高頻詞叫做振動模態,實際上我認為單詞更容易理解...

Operating deflection shape,它是結構系統一種固有的振動特性,私以為(政治不正確)

可以理解為」物體對某一種振動形態的趨勢「,當然它是用頻率來表徵的。

通常我們需要用多少個獨立運動參數才能描述一個機構的運動,就認為這個機構有多少個自由度,每個單獨的自由度上,都會有自己的振動屬性,多個自由度上的振動疊加,形成最後的我們所看到的振動形態,不是,我們看不到……但聲音就是這種振動的結果。

所以反過來,物體的總的模態屬性,通過線代/常微分可以解耦成若干個單獨的解,每個解就是每個自由度上的模態屬性(每一階模態對應一個自由度)當然由於系統裡各個零件相互約束、相互影響,自由度可以有很多,甚至無限多,解耦後的模態也有很多很多個階次,但是…上下、左右、前後的位移,以及圍繞三個方向上的旋轉,就是物體最普通的的六個自由度了,在約束模態裡,它們所對應的六個階次,比較值得關注,其中頻率最低的前兩階模態,又是這六個階次中最重要的兩個。

知道模態頻率有什麼用呢。

比如發動機轉速6000rpm/min時,每秒就是100轉,每轉每缸活塞往返一次,發動機晃動的趨勢(多缸結合更複雜不提了)每秒就是200次,即200Hz。假如有某個零部件的固有頻率在200Hz左右的話,就很容易被激勵起來,發生共振。設計零部件的時候,就需要讓固有頻率盡量避開這種激勵源的頻率。

通過有限元的求解(隨意百度一張),一般可以仿真出物體上扭轉、位移的形態以及相對應階次的模態,但計算模態也分約束模態、自由模態等等,具體的頻率要結合系統裝配的約束關係以及一些邊界加載的條件才有參考價值。

那麼NVH究竟從哪些方面上去控制乘用車的噪聲呢,零部件太多了,就舉幾個例子吧。

發動機自身的噪聲主要來自於燃燒噪聲和機械噪聲。

燃燒時(爆炸能不有聲音嗎)缸內壓力的急劇波動產生零部件結構的振動,以及氣體衝擊波引起的振動,歸根結底都是氣缸內氣體壓力的變化,因此一般通過控制缸內壓力在爆發期的增長率來控制噪聲,比如適改進燃燒室的結構,調節噴油量,增壓技術等等,縮短著火時間,降低壓力升高率。

機械噪聲主要來源於活塞往復運動時對氣缸壁面的敲擊。活塞將往復運動通過連桿轉變為曲軸的旋轉運動,實際上會受到一個側向的力,因為受到氣缸壁面的限制才能夠保證往復運動的一致性,由於與氣缸壁面的敲擊,活塞與氣缸壁之間的間隙調整就顯得很重要,此外活塞的裙部上也可以覆蓋一些材料來增加振動的阻尼,對敲擊的能量進行緩衝。

怠速時,手動擋變速器處於空擋狀態,離合器處於結合狀態,發動機的轉矩通過離合器傳遞到變速器的齒輪上,但空擋時變速器的被動軸卻是空轉的,由於發動機的轉矩並不是恆定的,一定程度上的波動會引起變速器的主動齒輪和從動齒輪發生打齒現象,進而產生噪聲。減小這種噪聲通常需要增加飛輪的慣性矩,降低曲軸輸出時角速度的變動量,或者調整離合器壓盤的扭轉剛度特性,將波動隔開於發動機與變速器兩者之間。

汽車起步時速度開始往上加,發動機的轉速也由怠速的700rpm增加到2000rpm左右,後懸架的纏繞振動模態(扭轉)頻率通常在這個範圍裡,就很容易受到激勵,激勵傳遞到車身,車身、車內空間會產生轟鳴的噪聲。控制這種噪聲就需要通過調整懸架的前後剛度,懸置的彈性剛度,在適當的地方使用吸振器等等,甚至調整離合器的剛度曲線。

制動時,由於慣性作用車身會發生抖動,頻率一般低於100Hz,制動系統與運動副之間的粘滑摩擦也會產生噪音,一般在100~1000Hz ,而這兩者之間的振動則會產生1000Hz以上的高頻嘯叫,影響這幾種噪聲的因素就很多了,比如制動盤轉子的熱變形,制動鼓的初期圓度狀態、安裝精度,一些摩擦材料的特性等等,所以對制動鼓進行改造,變更安裝方法等等可以適當的改善噪聲。

進排氣也是一個比較大的噪聲來源,比如氣體燃燒時產生的壓力引起排氣管振動,排氣管吊掛將這個振動傳遞到車身,不巧幾個自由度上的振動混合在一起形成更神奇更難以捉摸更複雜更變態的振動(即模態發生耦合)也會產生轟鳴聲,降低這種聲音主要就靠消音器了。消音器主要有三種,通過消音器內部氣流的阻抗,反射聲波能量進行降噪的抗性消音器,在管道內設置吸音材料吸收聲能轉化成熱能的阻性消音器,以及在原聲波上加個振幅相同相位相反的聲波,使其相互抵消的主動消音器。

等等等等。

造成噪聲的主要有這些項。

車上的每一個零部件都可以單獨拿出來談談心,為什麼你不聽話,為什麼你聽到某些節奏就不由自主的擺動身軀,為什麼你自己擺動就算了你還要教別人擺。

所以從設計的初期對零部件進行優化,有必要提高零部件自身的模態屬性,否則零部件可能會怪工程師給它嗑藥。盡可能的避開發動機的激勵區間是最好的,當然路面坑坑窪窪造成的振動也是有的,不是只有發動機單獨一個激勵源;不好處理的地方就只能靠車廂內的吸音材料,或者像諧振腔控制進氣噪聲,消音器控制排氣噪聲這樣進行後天補救了。

但事實上,除了後天補救這些天生降噪必然存在的零部件的以外,大多數的零部件都有自己本身存在的意義,比如離合器用來傳遞動力,變速器用於調節負荷,配氣機構用於協調進排氣等等,設計的時候考慮更多的是他們自身所帶有的功能屬性,降噪設計可能會以犧牲他們本身的功效為前提,這時候就需要看整車的需求,做取捨折中balance了,說到底每個人的生活不就是不停的balancebalancebalance一不小心不balance就崩潰了嗎。

國產車NVH注重的比較晚,過去急於趕上合資品牌的性能,在這些方面考慮的比較少,這些年性能上慢慢追上來了,舒適性也就得到了更多的關注,所以大多自主品牌,也開始有自己的NVH部門了,一方面加入各個零部件的性能強度疲勞壽命仿真本營,在設計初期成為CAE的常駐分析子項,對設計進行反饋;一方面對試制樣車進行測試,分析各個零部件的振動,或者異響的來源,再有針對性的去對這些異響進行解決。

對這些不正常的聲音進行排查是非常有意義的,不僅僅是為了降噪而已,比如聲音聽起來奇怪,頻率幅值對不上等等,往往是零部件的功能缺陷引起的,不斷排查追尋其聲源,可以及時發現質量問題。

而由於聲源的複雜性,NVH通常在消音室內完成試驗。

Somewhere artistical.Somewhere artistical.

【費思的回答(2票)】:

其實工程機械駕駛室關好後也很安靜,發動機覆蓋件有隔音棉,駕駛室內飾件有隔音棉,玻璃是雙層安全玻璃。

當然主要原因還是國標要求,國標有多高,我就搞多高。一不留神搞低了,就是個大力宣傳的賣點。

【馬曉虎的回答(1票)】:

先分析噪音來源:1高溫高壓廢氣產生衝擊波帶來噪音(噪音主要成分);2活塞工作,使發動機產生振動,帶來噪音;3風扇等附件工作產生噪音。

與工程機械比較:工程機械絕大部分使用柴油發動機-壓燃式,工作時比汽油發動機更劇烈,缸內氣體壓力更高,產生的震動幅度更大,噪音就特別明顯了。(在實驗室舉著傳感器測噪音那感覺……)

乘用車噪音低分析:1燃燒產生廢氣爆破壓力較柴油機柔和,並且排氣管行程從車頭延至車尾,有效緩和高壓廢氣帶來的衝擊。2活塞連桿工作,產生頻率與轉速成正比的振動,會使發動機油底殼,氣缸蓋罩等振動發出噪音。油底殼,氣缸蓋罩結構採用加強筋,降低振幅。進而降低噪音。3風扇多採用電驅動,噪音低。

【peterni的回答(1票)】:

因為你開拖拉機時間太久了,所以有強烈對比

【Gump的回答(1票)】:

我倒是想知道題主覺得哪部車的發動機比較靜

【星星的回答(0票)】:

因為引擎蓋下面和乘用區會做隔音處理吧?

【你那麼美的回答(0票)】:

噪音來源於震動。一是做好發動機底盤懸置,二是發動機艙與乘員倉的隔音。

【知乎用戶的回答(0票)】:

三個方向

1.源頭:從發動機的優化。

2.傳遞途徑:比如隔音材料的優化。

3.廣告:對消費者的忽悠。

【劉仰星的回答(0票)】:

乘用車要考慮成員的主觀感受,在人的舒適方面下手也比較重。商用車首先考慮商用,成本原因,市售商用車很少有採用什麼主動降噪啥的。低端的連一些最基本的材料都不上的。舉個例子,早些時候有些平頭的卡車,駕駛員相當於直接坐在發動機上,夏天,由於缺少隔熱材料,駕駛員必須忍受機器運行時的噪音和無比殘忍的熱量,,試想,在三十六七度的大熱天,在屁股底下開個暖風,,真是太辛苦。所以由於用途,成本原因,商用車對噪音和發熱等涉及到舒適體驗所做的部分不得已要放在很多大事之後。就是這樣。

【羅輝的回答(0票)】:

作為汽修人員,我給點自己的認識。

對於乘用車來講,大多採用的是汽油發動機,尤其在國內,柴油發動機很少。汽油發動機和柴油發動機的工作原理導致了噪音水平的差距。而且為了乘坐的舒適性,大量採用了隔音材料。

【趙博的回答(0票)】:

因為不安靜就沒人坐了。

【菜無名的回答(0票)】:

主要原因是機器與負荷間的結合方式不同,

1 機器工作時的負荷在液壓油泵,機器與液壓油泵間的連接是傳動軸直接傳動,發動機一般工作狀態下只需怠速或小油門工作,所以噪音小

2 裝載機工作時的負荷在行走和液壓結合下,裝載機的行走變速箱和離合器都是液壓控制,低轉速時無法正常工作,機器老化時更是如此,所以高轉速下的發動機噪音自然就大

【翰墨紫韻的回答(0票)】:

Nvh

【徐瀧澤的回答(0票)】:

以前汽車消音器(就是排氣管比較粗的那段)壞掉過一次,引擎噪音基本能趕上拖拉機,所以我一直覺得這是汽車的主要消音設備。

標籤:-汽車 -發動機 -汽車設計 -汽車製造


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