内燃机机械噪声概述

伍赛特

0 引言

内燃机的机械噪声随转数的增加而迅速增加。随着内燃机的高速化和噪声控制的不断强化，要进一步降低内燃机噪声的主要困难是降低机械噪声。

内燃机的机械噪声是由于气体压力及机件的惯性作用，以及相对运动的零件之间长期撞击和振动而激发的噪声。机械噪声主要包括活塞的敲击噪声、齿轮的机械噪声、配气机构噪声、轴承噪声、高压油泵噪声、不平衡惯性力引起的机体振动和噪声等。在内燃机空气动力性噪声得到有效控制之后，在高速运转时机械噪声常常是主要的噪声源。此外，机械噪声和工艺水平有着直接关系，当工艺水平还不能令人满意时，机械噪声将是较为突出的。

1 活塞敲击噪声

1.1产生机理

活塞对气缸壁的敲击，通常是内燃机最大的机械噪声源、，其敲击的强度主要取决于气缸的最高爆发压力和活塞与缸套之间的间隙，所以这种噪声既和燃烧有关，又和内燃机具体结构有关。在大功率柴油机上，此敲击力甚至高达数吨，能激发出很强的噪声，在冷启动后以及在怠速工况下，由于活塞和缸壁的间隙较大，这种敲击噪声也是相当突出的。

活塞对缸壁的敲击主要是由于它们之间存在着间隙j当作用于活塞上的气压力、惯性力、摩擦力发生周期性的变化时，活塞在曲轴的旋转平面内将受到一个呈周期性变化的侧向力的作用，它在上、下止点附近必然要变换方向，活塞将产生一个由一侧移向另一侧的横向运动。当内燃机高速运转时，活塞的这种横向运动是以很高的速度进行的，从而形成了对缸壁的强烈撞击。这种周期性的敲击尤其以压缩冲程终了和做功冲程开始时的敲击最为严重，而且由于受活塞绕活塞销的摇摆、活塞与缸壁间的摩擦、活塞的变形和缸套的振动等因素的影响，活塞对缸壁的敲击不仅发生在上、下止点附近，而且也发生在冲程的其他位置上，但其敲击力相对较小。

1.2 影响活塞敲击噪声的因素

影响活塞敲击噪声的因素较多，如活塞间隙、活塞销孔偏移、活塞高度、活塞环数、缸套厚度、润滑条件、内燃机转速和气缸直径等，现仅就其主耍影响因素进行讨论。

1.2.1活塞与气缸壁间隙

活塞与缸壁之间的间隙减小后，由于敲击强度降低，缸套及机体的振动亦随之降低，因此，活塞敲击噪声也得到降低。

1.2.2活塞销孔的偏移

活塞销孔的偏移有活塞销孔对活塞轴线的偏移和气缸轴线对活塞中心线的偏移两种．当活塞销孔向主推力方向偏移时，由于活塞在上止点附近由一而接触转变到另一面接触的时间和气缸压力剧增的时间错开，因此，振动和噪声可得到降低。

1.2.3活塞一缸壁之间的传速因素

活塞敲击噪声除了和撞击能量（活塞受力和间隙大小）行走外，还和活塞一缸壁间的传递因素有关，如活塞环数量及张力、润滑油多少及温度、缸套厚度等。

当活塞环数量很多时，可以限制活塞的自由摆动，有一定的缓冲作用，使撞击力减小，噪声降低。但另一方面，活塞环数量多，活塞重量增加，惯性力增大，摩擦损失以及因摩擦而引起的缸壁振动增加，从而使噪声增加。此外，活塞环多时，传热情况较好，活塞温度相对较低，致使运转间隙相对较大，敲击噪声也相对较大。试验证明：后面两个因素影响较大，故活塞环数量增加将使噪声增加。此外，当活塞环的张力大时，摩擦大，激发的缸壁振动、噪声也大。因此，必须在保证密封及寿命的条件下，力求减少环数，国外已有只采用一道气环和一道油环的车用高速柴油机。

由于润滑油具有阻尼和吸声作用，因此，保证活塞一缸壁之间有足够的润滑油，可以降低敲击噪声．试验表明：当活塞裙部得不到充分润滑时，活塞的敲击力及敲击噪声将增大；如果对裙部强行供入润滑油，则缸壁表面的振动存1.25～4 kHz的频段内噪声都将降低，最多处可达4.5 dB左右。

增加缸套的厚度可提高其刚度和自振频率，从而减小其振动和噪声。试验表明：当缸套厚度以6 mm增加到12 mm时，缸套的振动加速度可由40 g降到14 g；当缸套厚度增加一倍时，可使柴油机噪声降低3 dB左右，此外，在缸套上设置加强筋、增加支承力，也可以减小缸套的振动和噪声。

1.2.4 活塞裙部长度

适当增加活塞裙部长度，既可以减少活塞摇摆的幅度，又能增加活塞与缸壁撞击时的承压面积，还可以降低活塞敲击噪声。

1.3 控制活塞敲击噪声的措施

为了降低活塞敲击噪声，可根据其产生原因及影响因素，并考虑工艺上的可能性，采取具体的降噪方法，常用方法如下。

1.3.1 减小活塞与缸壁间隙

为了做到既保证活塞不存气缸中卡死或刮伤气缸壁，又设法使活塞各个部位与缸壁之间都有大小合适的间隙，且在内燃机冷态和热态下间隙数值相差不大，在现代内燃机的活塞结构设计上采取了种种措施。例如：针对活塞不同部位因受热程度不一，即头部的径向厚度较裙部大而造成活塞上部的膨胀量大于活塞下部的情况，将活塞制成直径上小下大的阶梯形或截锥形，使其在气缸中工作时上下各处的间隙近似均匀；采用裙部带有椭圆的活塞；在汽油机的铝合金活塞最下面一道环槽上切一横槽，以减少从头部到裙部的传热；在裙部升纵向切槽，使裙部具有弹性等。

近些年来，车用汽油机随着压缩比和转速的提高，开纵向槽的活塞在强度和刚度方面已不能适应要求。为了控制和减少裙部的热膨胀量，研发了镶钢片活塞它可以减小活塞裙部的装配间隙，达到降低噪声的目的。这种镶钢片活塞也在高速柴油机中得到应用。

1.3.2 活塞销孔向主推力面偏移

活塞销孔向主推力面偏移，是降低活塞敲击噪声常用的一种方法，但在高速下的效果不大。而且，偏移量要适当，若过大，则当压缩冲程时气体压力对活塞的作用力会显著增加，导致有效功率降低。

1.3.3 在活塞裙部表面上覆盖一层可塑性材料

在活塞裙部表面上覆盖一层可塑性材料，如聚四氟乙烯，然后在聚四氟乙烯层上再加一层厚度为0.2 mm的铬氧化物，这样可增加振动阻尼，明显地降低活塞敲击噪声。

2 配气机构噪声

2.1 配气机构噪声特性

四冲程内燃机都是采用气阀-凸轮式配气机构，它包括凸轮轴、挺柱、挺杆、摇臂、气阀等。零件多、刚度差是配气机构的显著特点，因此，易于激起振动和噪声。研究表明：内燃机低速时的噪声主要是气阀开关时的撞击以及从动件和凸轮顶部的摩擦振动所产生的；高速时的配气机构噪声是由于气阀的不规则运动所引起的。

配气机构噪声的传播可通过结构传播到发动机的表面而辐射或通过空气传播到配气机构盖板而辐射。影响配气机构噪声的因素有润滑优劣、气门间隙、发动机转速、凸轮型线和配气机构零件的刚度及重量等，其中主要因素是凸轮型线、气门间隙和配气机构的刚度。

2.2 配气机构噪声的控制

（1）减小气阀间隙；

（2）提高凸轮加工精度和表面光洁度；

（3）提高配气机构刚度；

（4）减轻驱动元件重量；

（5）选用性能优良的凸轮型线。

3 供油系统噪声

供油系统是柴油机的噪声源之一，由于它们的主要频率成分在几千赫兹以上的高频区域，在内燃机的某些部位人耳往往清晰可辨。因此，它也是内燃机噪声中不可忽略的噪声源。

喷油系统的噪声主要是由喷油泵和高压油管系统（含喷油器）的振动所引起的，它又分为流体性噪声和机械噪声。流体性噪声包括：①油泵压力脉动激发的噪声，这种压力脉冲将激发泵体产生振动和噪声，同时还将使燃油产生很大的加速度，冲击管壁而激发噪声。②空穴现象激发的噪声，这是油路中高压力在急速脉动的情况。油中含有的空气会不断地形成气泡并又破灭，由此会产生空穴噪声。③喷油系统管道的共振噪声，当油管供油压力脉动的频率接近于管道的固有频率时，便会引起共振而激发噪声，、机械性噪声包括喷油泵凸轮和滚轮体之间的周期性冲击和摩擦，特别是当恢复弹簧的固有频率和这种周期性的冲击接近时，会产生共振，使噪声加剧。

喷油泵的噪声主要是由周期性变化的柱塞上部的燃油压力、高压油管内的燃油压力和内燃机的往复运动惯性力激发泵体本身振动而引起的。其噪声大小与转速、泵内燃油压力、供油量及泵的结构有关。试验表明：当凸轮轴转速增加一倍时，其噪声约增加8～15 dB；当燃油压力由0增加到150 MPa时，其噪声增加9 dB；供油量对其噪声的影响较小，当供油量由0增加到100%时，噪声仅增加3～4 dB。为了减少喷油泵的噪声，可提高喷油泵的刚性，采用单体泵或选用损耗系数较大的材料做泵体，以减少因泵体振动而产生的噪声。

4 齿轮传动噪声

齿轮传动被广泛地应用在内燃机正时齿轮传动中。齿轮传动的特点是轮齿相互交替的啮合处既有滚动又有滑动，齿与齿之间不可避免地产生撞击和摩擦，从而使齿轮产生振动和噪声。

齿轮承受着交变的负荷，加上齿轮本身的各种误差，就会使这种动负荷更为严重。这种动负荷会使轴产生变形并在轴承上引启动负荷，轴承的动负荷又传给内燃机壳体和齿轮箱壳体，使壳体激发出噪声。此外，曲轴的扭振也会破坏齿轮的正常啮合而激发出噪声，因此，齿轮传动的噪声是非常复杂的。

4.1 齿轮噪声产生机理

齿轮噪声包括2种频率成分：高频噪声和低频噪声。

高频噪声主要是由齿轮的基节发生偏差而引起的，是齿轮噪声的主要成分．基节偏差会使齿轮在啮合与分离时产生撞击，即啮合撞击。无论主动轮的基节大于还是小于从动轮的基节，都将使齿轮每转过一个轮齿就产生一次撞击，每转一转撞击的次数与齿轮的齿数相等。在定轴轮系中啮合频率f_m=nz/60，n为齿轮转速；z为齿数。实际上齿轮传动装置总要有某种偏心，而偏心了的齿轮每旋转一周时，两个齿轮啮合的松紧程度要发生变化，导致啮合力的幅值被调制为齿轮传动位移的函数，除基节误差外，齿形误差、齿面光洁度等也会产生部分高频噪声。

齿轮啮合的低频噪声主要是由周节累积误差所引起的，由于有周节累积误差，当齿轮转一转时就产生一次撞击，其频率f_p=n/60。一般它不是主要的噪声成分，只有当周节累积误差很大时，才会对总体噪声产生较大影响。

当齿轮传动装置产生共振时，会激发出强烈的噪声，即使是很精密的齿轮也会如此。当齿轮的啮合频率和齿轮本身的某阶固有频率相同时，就要激发共振噪声。因此，在设计时需使啮合频率与齿轮固有频率错开。

4.2 影响齿轮噪声的因素

影响齿轮噪声的因素包括齿形参数、齿轮结构和形状、齿轮的精度和光洁度，以及轴系刚度和润滑油等其他因素。

4.3 齿轮噪声的控制

（1）采用高内阻的齿轮材料或采用隔振措施；

（2）选用合理的齿轮参数和结构；

（3）提高齿轮加工精度；

（4）对齿轮进行修缘；

（5）系统动力学控制。

5 轴承噪声

轴承本身噪声并不大，但它对整机的支承刚度和固有频率有较大影响、轴承的振动又导致轴系的共振而产生噪声。轴承中滑动轴承的噪声比滚动轴承小。

对于滑动轴承，当轴承间隙增大时，油膜压力和轴承的轴心轨迹将发生较大的变化，会促使机体振动加剧、噪声增大。

对于滚动轴承，当轴承受到径向载荷时，滚动体和套圈将产生弹性变形随着轴的旋转，轴心产生周期性的跳动，使滚动体和套圈、轴承保持架之间产生撞击、摩擦声。

滚动轴承的结构形式、加工精度对轴承噪声有很大影响。安装时，当轴承座的精度与刚性差时会造成轴承外套固的变形；当轴承的精度不好时，又会使轴承内套圈变形。这两种情况都会使轴承运转时产生振动和噪声。当轴的同有频率和轴承振动的固有频率相近时，将引起轴的共振而激发出噪声。当轴承内有杂质、灰尘以及滚动体和滚道上有斑痕、压痕、锈蚀时，轴承会产生周期性的振动和噪声。

为了控制轴承噪声，应提高轴承的制造精度和套圈的刚度。为了减小间隙可对轴承施加适当的预紧力。控制装配时的误差往往是降低轴承噪声的有效措施应注意避免轴系的共振。使用性能良好的油脂，可改善轴承的密封等。

参考文献

[1] 林在犁，黄琪. 内燃机运用[M]. 成都：西南交通大学出版社, 2015.08.