3万多零件一辆车凭什么噪音可以那么小?

只要有介质,就会存在声音传播,只要有空气,就会存在噪音。一辆车有接近3万个零件。如何抑制各部件的噪音?

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。

可以看到,整车噪音如上图。其中发动机的噪声可以占总噪声的35%左右,进排气可以占到30%,轮胎15%左右,其他就一共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。

噪音控制于汽车是个大工程。除了控制子系统,更要针对每个部件进行重新设计。以发动机为例,起动、减速和制动时所产生的车身抖动就是必须在噪音控制中抑制的。至于控制方法,一种是从最原始的产品设计就已经开始,针对可以预见到的振动进行优化。尽量降低车身震动的悬挂系统则是很好的例子。另外一种则是只能后天弥补的天然噪音,例如排气管消声。虽然这些小改进效果有限,但综合起来效果很可观。就像油耗,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。

一辆车至少有3万个零部件

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。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。

问题来了,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。

那么究竟从哪些方面上去控制乘用车的噪声呢,零部件太多了,举几个例子吧。

发动机的噪声

主要来自于燃烧噪声和机械噪声。

宝马M5 V10发动机拆解图↑

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。

车门和车身呢?

除了发动机传来的噪音之外,其实环境噪音也是影响车内氛围的主要杀手。这个时候,占据车身50%体积的车门就起到了决定性作用:

只考虑车门的密封的话,一般有以下几点:

1.车门密封条

目前大部分的轿车配有两道密封,门框上和车门上。这两道密封的作用,一是缓冲关车门时候的冲击力,二就是隔绝车门内外侧的环境,为乘客提供一个舒适的环境。

2.玻璃密封条

玻璃,给乘客提供良好视野的同时,也辅助隔绝车厢内外环境。玻璃可以上下升降,所以需要其他零件来辅助升降,并且缓解玻璃的晃动。

3.门饰板内的隔音棉

门内饰板作为车内造型的一部分,造型风格需和内饰整体风格保持一致。内饰氛围全包内饰和半包内饰,绝大多数的轿车都采用的是全包式,关上车门,看不到钣金的都算全包。

隔音棉一般都是毛毡,途中内饰靠下区域的一整块都是毛毡,用毛毡做隔音棉,价格便宜且能满足要求。所以绝大多数的隔音棉都是采用这种材质。

关于整车气密性:

关于这个问题,最重要的是气密性,也就是密封性。保证密封性是一切的基础,密封不好,其他的基本都白扯了。密封靠的是密封条,目前大多数车都是采用两道密封的形式(高档车甚至可能有三道密封),分别是装在车门上的车门密封条和装在侧围上的门洞密封条。密封条使车辆内部与外部隔绝,一定程度上阻止了外部的风燥、道路噪声、发动机噪声传入车内。

其次,就是声学包,通俗的说就是降噪零件。声学包大致可以分为两类:阻绝类、吸收类。阻绝类的声学包的作用是最大可能的阻止外部声音的传入,车门上最主要的运用就是隔音玻璃。隔音玻璃结构本质上就是普通玻璃中间加上了隔音层。这种材料目前在BBA上已经广汇运用了,相信未来也会应用在更多普通车型上。顾名思义,吸收类声学包就是吸收声音用的。当NVH效果要求较高,一般设计手段无法实现时,就只能考虑使用吸收类声学包。这个真是无奈之举,增加成本、增加重量。一般的吸收类声学包都是长纤维状的,貌似长成这样能更为有效的吸收能量。

还有就是静刚度问题,刚度越好,NVH的效果也越好,这个是大牛的原话,我只是大自然的搬运工!提高车门刚度,主要靠我们车门设计师实现,这个也不是很容易的,终于在NVH工程师面前有了优越感,终于不要被他们用傅里叶变换羞辱了,哈哈哈!

车主们平时注意哪些能降低噪音?

有些噪音是由车辆本身的故障引起:

轮胎气压不正常,导致车胎与地面接触面积不平均甚至是轮毂和车胎接触面积变化起伏大;

汽车上不规则磨损的零部件,会导致车内异响不断;

悬挂保养不妥当或者底盘拖底后造成部件损坏引发的发动机异响等。

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