汽車NVH 基礎與發動機影響＊

李熠帆，吳優，馮理

（武漢華夏理工學院，湖北 武漢 430223）

1 緒論

1.1 引言

汽車是當今社會不可或缺的一樣交通工具，正因為有它的出現，方便了我們的出行。自代步工具發展以來，人們尋找各種方式來為其提供動力。縱觀汽車整體發展史，我們可以發現汽車的每個系統也在不斷更新、不斷改進，使其更加適合當時社會情況。自第一次工業革命以來，汽車動力技術的不斷革新，對人們的生活產生了巨大的影響。

1.2 NVH 概念

1.2.1 NVH 定義

汽車性能大體分為兩部分，一為動態性能，一為靜態性能。靜態性能包括：汽車的外觀造型及色彩、其策劃的內室造型與裝飾、汽車整體視野、座椅與安全帶的舒適度、燈光系統、娛樂系統、各種硬件功能、維護保養的性能等，而動態性能包括：噪聲，振動與聲震粗糙度、碰撞安全性能、駕駛操縱性能、燃油經濟性能、剎車穩定性、整車安全性能、穩定性等。而其中的噪聲，振動與聲震粗糙度統稱NVH（Noise、Vibration、Harshness）。

噪音是指振動物體產生的任何不愉快或意外的聲音。噪音是振動物體發出的不愉快或意外的聲音。解釋在消除噪聲特性中起著很大的作用。用于描述噪音的術語包括：嗡嗡聲、節拍、道路噪音、剎車尖叫聲。噪聲振動的頻率遠高于只能感覺到的頻率，通常在20 到500 赫茲之間。某些噪音可能與車輛的部件系統有關，例如發動機、傳動系、軸、制動器或車身部件。

振動是指物體來回或上下的任何令人討厭的重復運動。這個運動是時間的函數，可以用赫茲來測量。振動可以用多種方式描述，包括：搖動、擺振、戰栗。振動可以是恒定的或可變的，并且發生在總工作速度范圍的一部分。振動通常是由一些旋轉部件或部件引起的，有時是由單個發動機氣缸中的空氣/燃料混合物燃燒引起的。在正常情況下，旋轉部件不會產生明顯的振動。但是，如果部件重量分布不當（不平衡），或以偏心模式旋轉（不圓或彎曲），則可能會產生明顯的振動。如果可以測量振動特性，則可以使用有關振動的信息將其與可能導致振動的部件匹配。

聲震粗糙度是指一種積極的懸架感覺，或者對單個輸入缺乏“給予”的響應。

1.2.2 NVH 特性

從NVH 的觀點來看，汽車是一個由激勵源、傳遞器和響應器組成的系統。發動機、傳動系統、車輪和輪胎、不平整路面和風等，都可以成為激勵源。其產生的震動和噪音通過懸架系統，車身結構等傳遞器的作用傳入車身和車內空腔，最終形成振動和聲學響應。車身作為振動，噪聲傳播的重要環節，不但是直接向車內傳遞噪聲的響應器，又是各種震動和聲音的傳遞介質，其聲學特性也有重要影響。其主要傳播傳播途徑為車身震動和空氣波動，主要影響因素有發動機，排氣系統，傳動系統，輪胎路面，風扇。

圖1

這項性能是評價一家汽車企業及零部件供應商的設計開發以及制造質量的綜合性數據，能帶給用戶最直觀的感受。據統計，在已知的用戶中，對于不滿意的問題中，NVH 所造成的影響占整車問題的1/3，而各大車企為盡可能解決這項問題，有20%的研發資金使用在解決NVH 的問題上。縱觀整部汽車，毫不夸張地說，汽車所有的結構都涉及到NVH的問題，我們可以說，NVH 是整部車涉及最廣的領域。

2 基本理論

2.1 噪聲與振動的產生

振動的物體通常會產生聲音，這種聲音可能是一種煩人的噪音。如果振動體是噪音的直接來源（例如燃燒導致發動機振動），則很容易找到振動體或振動源。在其他情況下，振動體只會產生小的振動。

由于振動體與其他部件的接觸，這種小振動可能導致較大的振動或噪音。當這種情況發生時，注意力集中在大振動或噪音發生的地方，而真正的震源往往沒有被注意到。

了解噪音和振動的產生有助于故障排除過程。當振動源（強迫力）產生振動時，小噪聲發展為大噪聲。共振使其他車輛部件的振動放大。然后，振動體（發聲體）接收放大振動的傳輸。

2.2 振動傳遞路徑

振動通過車輛的結構傳播，類似于無線電波在空氣中傳播的方式。振動通常出現在遠離產生振動的部件上。振動傳遞到其他部件被稱為“電報”。例如，失衡的前輪胎和車輪總成可能導致明顯的方向盤晃動。在這種情況下，車輪和輪胎總成是振動的發起者，懸架是導體，方向盤是反應器。

2.3 振動順序

階數是在一個部件的一次旋轉中產生的干擾數。輪胎上的單個高點每轉產生一個振動，稱為一階振動。如果車輪每秒旋轉10 次，則每秒有10 次振動。這會產生10 赫茲的一階振動。

如果輪胎出現第二個高點，將導致二階振動。車輪每秒旋轉10 次，每秒產生20 次振動。這會產生20 赫茲的二階振動。三個高點產生三階振動，四個高點產生四階振動。高階振動以這種方式繼續發展。

例如：半階振動、一階振動、二階振動和三階振動。

當以曲軸轉速的一半旋轉的任何部件失去平衡或跳動過大時，就會產生半階振動。例如凸輪軸不平衡。平衡部件或糾正跳動可能會使振動達到可接受的水平。

當以曲軸轉速旋轉的任何部件失衡或跳動過大時，都會產生一階振動。例如，飛輪或變矩器不平衡和氣缸之間的質量差異。在極少數情況下，曲軸本身可能不平衡。平衡部件或糾正跳動可能會使振動達到可接受的水平。

二階振動是由活塞上下運動引起的。質量和運動的這種逆轉產生了一種自然振動。（一階和二階發動機振動通常在空檔試車試驗期間檢測到。）

三階振動是由任何具有三個重點的部件引起的。

2.4 震動類型

車輛振動可以是以下任何一種類型：1 震動2 擺振3 制動振動/抖動。

（1）方向盤或座椅的振動，或地板上煩人的振動，都是“震動”的標志。震動的頻率一般為10 到30 赫茲。有兩種類型的震動：?垂直（上下）?橫向（側向）。

圖2

垂直振動是指車身、座椅和方向盤的嚴重垂直振動。發動機罩或后視鏡抖動也可能是垂直抖動癥狀。橫向振動是指車身、座椅和方向盤的橫向振動。駕駛員腰部或臀部的顫抖振動可能是側搖的癥狀。垂直和橫向振動的主要振動源是：?路面粗糙度?輪胎不平衡?輪胎不均勻?車輪彎曲或不圓?傳動系統?發動機。

（2）引起方向盤振動的振動稱為“擺振”。車身也可能發生橫向振動。擺振頻率一般為5 到15 赫茲。有兩種類型的擺振：?高速擺振?低速擺振。

高速行駛在平坦路面上高速行駛時，會產生高速擺振。高速擺振通常有一個有限的速度范圍，在這個范圍內癥狀是明顯的。

當車輛以低速行駛時，方向盤開始振動時，會發生低速擺振。

高速和低速擺振的主要振動源是：?路面粗糙度?輪胎不平衡?輪胎不均勻?車輪彎曲或不圓。

（3）制動振動/抖動通過制動液壓管路傳輸到懸架系統、轉向系統和制動踏板。當制動鼓直徑不均勻或制動盤厚度不均勻時，會產生制動踏板脈動。

制動抖動導致儀表板、方向盤，有時整個車身在制動過程中前后振動。它還可能導致與車輪轉動有關的制動踏板脈動，并可能在任何制動條件或車速下發生。通常，制動抖動的峰值為40 至50 英里/小時（60 至80 公里/小時），頻率為5 至30 赫茲。

某些操作條件會影響這些振動的原因。這包括：?車輛不運行的時間過長?由于異物（油或油脂、防凍劑等）導致制動盤表面不規則?由于安裝不當導致制動盤或制動鼓變形。

如果制動盤轉子的厚度變化過大，則在制動過程中，制動面上的摩擦力會發生變化。制動力的變化在一定頻率下產生振動。這種振動傳遞到懸架、轉向和制動踏板。振動也能傳遞給身體，使其產生共振。

盤式制動器振動/抖動的根本原因是厚度變化。厚度變化可能是由具有橫向跳動的轉子引起的。橫向跳動可能是由于車輪緊固程序和扭矩值不正確以及輪轂跳動引起的。當制動盤抖動（橫向跳動）時，與制動片接觸。由于轉子部分與墊片接觸，轉子表面會有少量金屬磨損。這會一直持續下去，直到有足夠的金屬在截面上磨損，導致厚度變化。這就是為什么不適當的車輪擰緊程序通常需要幾周或幾個月來產生制動振動的原因。

3 發動機振動

3.1 發動機轉速

發動機轉速相關振動是由發動機驅動的部件引起的。這些部件可能是發動機總成或發動機附件的一部分。利用振動頻率和數學公式，發動機轉速相關振動可分為以下類別：?發動機部件?發動機附件?發動機氣缸（點火頻率）。

3.2 發動機振動類型

許多NVH 問題與發動機系統有關。發動機的運轉會產生自然振動。如果有任何一個部件輕微失衡，發動機的自然振動就會加劇。發動機振動通常由以下原因引起：1 發動機配置頻率2 發動機支座3 發動機附件。

3.2.1 發動機配置頻率

所有發動機都有固有的一階振動。發動機也會因振動頻率而產生振動。點火頻率是指每次氣缸恢復時發動機產生的力。燃燒力產生一個脈沖，氣缸恢復正常后，會產生自然振動。發動機承受的負荷越高，振動頻率越明顯。當發動機出現干擾正常燃燒循環的問題時，振動也會增加。

頻率NVH 問題的癥狀包括：發動機轉速敏感度、扭矩敏感度、低頻噪聲、震動或噪聲。

如果NVH 問題對頻率敏感，當達到特定轉速時，可能會導致另一個部件發生共振。點火頻率問題通常具有較窄的轉速范圍。為了防止由高頻脈沖產生的振動成為NVH 問題，必須隔離振動。電機安裝架的設計目的是將到達乘客席的振動量降至最低。

3.2.2 發動機支座

將振動從發動機隔離到乘客席的第一個部件是發動機支座。發動機和變速器支座由許多相對較小的零件組成，在故障排除時有時會被忽略。然而，這些部件在防止發動機產生噪音和振動方面非常重要。

發動機的扭矩反作用力直接作用在變速器上，使發動機支座承受較大的力。因此，發動機支座必須是剛性的，以穩定發動機。另一方面，為了在所有發動機轉速期間盡量減少發動機固有振動和噪音，發動機支座也必須是軟的。發動機懸置系統中的任何故障都會直接導致噪音和振動。

3.2.3 發動機附件（震動附件）

發動機附件可能是發動機振動的來源。例如，附件皮帶輪錯位或部件故障會影響NVH 狀態。容易發生過充的空調壓縮機也會導致振動。

隨著蛇形帶的出現，不再可能一次拆下一個帶來隔離源組件。由于蛇形帶驅動所有部件，一個部件可能通過共振影響另一個部件。如果拆卸蛇形皮帶消除了振動，則重新安裝皮帶并分別操作每個部件。通過打開和關閉空調，或通過轉動方向盤，可以消除或隔離一些部件作為NVH 源。

3.3 發動機噪聲類型

當發動機部件偏離其設計的精確規格時，發動機會產生過大或不可忍受的噪音。

活塞的往復運動和其他發動機部件的旋轉運動會產生固有的噪聲。發動機噪聲產生的原因包括：燃燒-空氣/燃油混合物被點燃時會產生噪聲、摩擦、運動部件和往復部件之間的碰撞、活塞上下移動，部件之間的公差在交替的方向上反復拉動。

（1）異常燃燒

燃燒過程中的任何異常都會導致發動機振動。異常燃燒可能包括以下情況：火花爆震、回火。

（2）爆燃（平爆）

一般來說，當節氣門全開或加速時，會產生一種尖銳的撞擊聲，這就是平擊聲的特點。如果在這種狀態下繼續工作，活塞和閥會受到不利影響，導致發動機損壞。

發動機火花爆震（砰的一聲）的原因包括：?燃油不足?正時不正確?燃燒室積碳。

（3）后環

當氣缸在進氣門關閉前關閉時，會出現一種稱為彈回的背罩。當進氣門打開時，進氣歧管中的空氣/燃油混合物被點燃并燃燒。這種情況有時很暴力，足以在管匯內引起爆炸性報告。彈出可能由以下原因引起：?燃油混合氣過稀?氣門正時不正確。

如果混合物太稀，燃燒速度變慢，完成燃燒過程需要更長時間。如果正時受到干擾，可能會發生彈回，發動機可能無法起動。

3.4 排氣噪音

排氣系統可能是噪聲源。排氣噪音包括：?排氣聲音?氣流和管道。

廢氣聲音進一步細分為三類：1 脈動2 氣柱共振3 氣流聲音。

排氣閥每次打開時都會排出廢氣，產生脈動聲。聲音是循環的，與發動機轉速和氣缸數有關。聲音的音調相對較低，主要由這個基本頻率組成。

空氣柱共振由排氣管和消聲器產生的聲音組成。管道長度和管道的橫截面積決定了頻率。高速排氣會產生氣流聲。這方面的一個例子是，當排氣從排氣尾管排出時，空氣通過氣流或噴射噪聲引起的湍流。

噪音和排氣噪音可能是由排氣系統錯位、安裝不正確或安裝支架損壞或懸掛器故障引起的。這可能會導致各種惱人的噪音，通過徹底的目視檢查可以找到這些噪音。

排氣系統中的任何這些聲音都可以通過許多排氣系統部件傳送到乘客席。

3.5 發動機點火頻率

所有發動機都有固有的一階振動。發動機也會因振動頻率而產生振動。點火頻率是指每次氣缸燃燒時發動機產生的力。

燃燒的力量產生一個脈沖，隨著氣缸排列整齊，自然振動產生。發動機承受的負荷越高，振動頻率越明顯。當發動機出現干擾正常燃燒循環的問題時，振動也會增加。

頻率NVH 問題的癥狀包括：發動機轉速靈敏度、扭矩靈敏度、低頻噪聲、震動或噪聲、負載發動機。

如果NVH 問題對頻率敏感，當達到特定轉速時，可能會導致另一個部件發生共振。點火頻率問題通常具有較窄的轉速范圍。為了防止由高頻脈沖產生的振動成為nvh 問題，必須隔離振動。電機安裝架的設計目的是將到達乘客席的振動量降至最低。

4 總結

汽車NVH 所覆蓋的內容之多，范圍之廣，本文只是涉及其中之一，并未完全研究。我認為有以下幾各方面需要更近一步的完善：

（1）對于汽車NVH 的研究，應展開系統而且全面的分析，對于其他方面，有著不太完善或較為完善的方面值得研究。

（2）以汽車發動機為研究對象，對發動機轉速、扭矩、產品設計精度、燃燒狀態、排氣和點火頻率等方面進一步開展標準化試驗。

（3）現如今仿真技術的不斷成熟，可代替部分汽車試驗，但是仍與實際試驗有部分差異。同時結合仿真與實際試驗，進一步完善試驗步驟，縮小差異，仍需深入了解。