汽车NVH 基础与发动机影响＊

李熠帆，吴优，冯理

（武汉华夏理工学院，湖北 武汉 430223）

1 绪论

1.1 引言

汽车是当今社会不可或缺的一样交通工具，正因为有它的出现，方便了我们的出行。自代步工具发展以来，人们寻找各种方式来为其提供动力。纵观汽车整体发展史，我们可以发现汽车的每个系统也在不断更新、不断改进，使其更加适合当时社会情况。自第一次工业革命以来，汽车动力技术的不断革新，对人们的生活产生了巨大的影响。

1.2 NVH 概念

1.2.1 NVH 定义

汽车性能大体分为两部分，一为动态性能，一为静态性能。静态性能包括：汽车的外观造型及色彩、其策划的内室造型与装饰、汽车整体视野、座椅与安全带的舒适度、灯光系统、娱乐系统、各种硬件功能、维护保养的性能等，而动态性能包括：噪声，振动与声震粗糙度、碰撞安全性能、驾驶操纵性能、燃油经济性能、刹车稳定性、整车安全性能、稳定性等。而其中的噪声，振动与声震粗糙度统称NVH（Noise、Vibration、Harshness）。

噪音是指振动物体产生的任何不愉快或意外的声音。噪音是振动物体发出的不愉快或意外的声音。解释在消除噪声特性中起着很大的作用。用于描述噪音的术语包括：嗡嗡声、节拍、道路噪音、刹车尖叫声。噪声振动的频率远高于只能感觉到的频率，通常在20 到500 赫兹之间。某些噪音可能与车辆的部件系统有关，例如发动机、传动系、轴、制动器或车身部件。

振动是指物体来回或上下的任何令人讨厌的重复运动。这个运动是时间的函数，可以用赫兹来测量。振动可以用多种方式描述，包括：摇动、摆振、战栗。振动可以是恒定的或可变的，并且发生在总工作速度范围的一部分。振动通常是由一些旋转部件或部件引起的，有时是由单个发动机气缸中的空气/燃料混合物燃烧引起的。在正常情况下，旋转部件不会产生明显的振动。但是，如果部件重量分布不当（不平衡），或以偏心模式旋转（不圆或弯曲），则可能会产生明显的振动。如果可以测量振动特性，则可以使用有关振动的信息将其与可能导致振动的部件匹配。

声震粗糙度是指一种积极的悬架感觉，或者对单个输入缺乏“给予”的响应。

1.2.2 NVH 特性

从NVH 的观点来看，汽车是一个由激励源、传递器和响应器组成的系统。发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平整路面和风等，都可以成为激励源。其产生的震动和噪音通过悬架系统，车身结构等传递器的作用传入车身和车内空腔，最终形成振动和声学响应。车身作为振动，噪声传播的重要环节，不但是直接向车内传递噪声的响应器，又是各种震动和声音的传递介质，其声学特性也有重要影响。其主要传播传播途径为车身震动和空气波动，主要影响因素有发动机，排气系统，传动系统，轮胎路面，风扇。

图1

这项性能是评价一家汽车企业及零部件供应商的设计开发以及制造质量的综合性数据，能带给用户最直观的感受。据统计，在已知的用户中，对于不满意的问题中，NVH 所造成的影响占整车问题的1/3，而各大车企为尽可能解决这项问题，有20%的研发资金使用在解决NVH 的问题上。纵观整部汽车，毫不夸张地说，汽车所有的结构都涉及到NVH的问题，我们可以说，NVH 是整部车涉及最广的领域。

2 基本理论

2.1 噪声与振动的产生

振动的物体通常会产生声音，这种声音可能是一种烦人的噪音。如果振动体是噪音的直接来源（例如燃烧导致发动机振动），则很容易找到振动体或振动源。在其他情况下，振动体只会产生小的振动。

由于振动体与其他部件的接触，这种小振动可能导致较大的振动或噪音。当这种情况发生时，注意力集中在大振动或噪音发生的地方，而真正的震源往往没有被注意到。

了解噪音和振动的产生有助于故障排除过程。当振动源（强迫力）产生振动时，小噪声发展为大噪声。共振使其他车辆部件的振动放大。然后，振动体（发声体）接收放大振动的传输。

2.2 振动传递路径

振动通过车辆的结构传播，类似于无线电波在空气中传播的方式。振动通常出现在远离产生振动的部件上。振动传递到其他部件被称为“电报”。例如，失衡的前轮胎和车轮总成可能导致明显的方向盘晃动。在这种情况下，车轮和轮胎总成是振动的发起者，悬架是导体，方向盘是反应器。

2.3 振动顺序

阶数是在一个部件的一次旋转中产生的干扰数。轮胎上的单个高点每转产生一个振动，称为一阶振动。如果车轮每秒旋转10 次，则每秒有10 次振动。这会产生10 赫兹的一阶振动。

如果轮胎出现第二个高点，将导致二阶振动。车轮每秒旋转10 次，每秒产生20 次振动。这会产生20 赫兹的二阶振动。三个高点产生三阶振动，四个高点产生四阶振动。高阶振动以这种方式继续发展。

例如：半阶振动、一阶振动、二阶振动和三阶振动。

当以曲轴转速的一半旋转的任何部件失去平衡或跳动过大时，就会产生半阶振动。例如凸轮轴不平衡。平衡部件或纠正跳动可能会使振动达到可接受的水平。

当以曲轴转速旋转的任何部件失衡或跳动过大时，都会产生一阶振动。例如，飞轮或变矩器不平衡和气缸之间的质量差异。在极少数情况下，曲轴本身可能不平衡。平衡部件或纠正跳动可能会使振动达到可接受的水平。

二阶振动是由活塞上下运动引起的。质量和运动的这种逆转产生了一种自然振动。（一阶和二阶发动机振动通常在空档试车试验期间检测到。）

三阶振动是由任何具有三个重点的部件引起的。

2.4 震动类型

车辆振动可以是以下任何一种类型：1 震动2 摆振3 制动振动/抖动。

（1）方向盘或座椅的振动，或地板上烦人的振动，都是“震动”的标志。震动的频率一般为10 到30 赫兹。有两种类型的震动：•垂直（上下）•横向（侧向）。

图2

垂直振动是指车身、座椅和方向盘的严重垂直振动。发动机罩或后视镜抖动也可能是垂直抖动症状。横向振动是指车身、座椅和方向盘的横向振动。驾驶员腰部或臀部的颤抖振动可能是侧摇的症状。垂直和横向振动的主要振动源是：•路面粗糙度•轮胎不平衡•轮胎不均匀•车轮弯曲或不圆•传动系统•发动机。

（2）引起方向盘振动的振动称为“摆振”。车身也可能发生横向振动。摆振频率一般为5 到15 赫兹。有两种类型的摆振：•高速摆振•低速摆振。

高速行驶在平坦路面上高速行驶时，会产生高速摆振。高速摆振通常有一个有限的速度范围，在这个范围内症状是明显的。

当车辆以低速行驶时，方向盘开始振动时，会发生低速摆振。

高速和低速摆振的主要振动源是：•路面粗糙度•轮胎不平衡•轮胎不均匀•车轮弯曲或不圆。

（3）制动振动/抖动通过制动液压管路传输到悬架系统、转向系统和制动踏板。当制动鼓直径不均匀或制动盘厚度不均匀时，会产生制动踏板脉动。

制动抖动导致仪表板、方向盘，有时整个车身在制动过程中前后振动。它还可能导致与车轮转动有关的制动踏板脉动，并可能在任何制动条件或车速下发生。通常，制动抖动的峰值为40 至50 英里/小时（60 至80 公里/小时），频率为5 至30 赫兹。

某些操作条件会影响这些振动的原因。这包括：•车辆不运行的时间过长•由于异物（油或油脂、防冻剂等）导致制动盘表面不规则•由于安装不当导致制动盘或制动鼓变形。

如果制动盘转子的厚度变化过大，则在制动过程中，制动面上的摩擦力会发生变化。制动力的变化在一定频率下产生振动。这种振动传递到悬架、转向和制动踏板。振动也能传递给身体，使其产生共振。

盘式制动器振动/抖动的根本原因是厚度变化。厚度变化可能是由具有横向跳动的转子引起的。横向跳动可能是由于车轮紧固程序和扭矩值不正确以及轮毂跳动引起的。当制动盘抖动（横向跳动）时，与制动片接触。由于转子部分与垫片接触，转子表面会有少量金属磨损。这会一直持续下去，直到有足够的金属在截面上磨损，导致厚度变化。这就是为什么不适当的车轮拧紧程序通常需要几周或几个月来产生制动振动的原因。

3 发动机振动

3.1 发动机转速

发动机转速相关振动是由发动机驱动的部件引起的。这些部件可能是发动机总成或发动机附件的一部分。利用振动频率和数学公式，发动机转速相关振动可分为以下类别：•发动机部件•发动机附件•发动机气缸（点火频率）。

3.2 发动机振动类型

许多NVH 问题与发动机系统有关。发动机的运转会产生自然振动。如果有任何一个部件轻微失衡，发动机的自然振动就会加剧。发动机振动通常由以下原因引起：1 发动机配置频率2 发动机支座3 发动机附件。

3.2.1 发动机配置频率

所有发动机都有固有的一阶振动。发动机也会因振动频率而产生振动。点火频率是指每次气缸恢复时发动机产生的力。燃烧力产生一个脉冲，气缸恢复正常后，会产生自然振动。发动机承受的负荷越高，振动频率越明显。当发动机出现干扰正常燃烧循环的问题时，振动也会增加。

频率NVH 问题的症状包括：发动机转速敏感度、扭矩敏感度、低频噪声、震动或噪声。

如果NVH 问题对频率敏感，当达到特定转速时，可能会导致另一个部件发生共振。点火频率问题通常具有较窄的转速范围。为了防止由高频脉冲产生的振动成为NVH 问题，必须隔离振动。电机安装架的设计目的是将到达乘客席的振动量降至最低。

3.2.2 发动机支座

将振动从发动机隔离到乘客席的第一个部件是发动机支座。发动机和变速器支座由许多相对较小的零件组成，在故障排除时有时会被忽略。然而，这些部件在防止发动机产生噪音和振动方面非常重要。

发动机的扭矩反作用力直接作用在变速器上，使发动机支座承受较大的力。因此，发动机支座必须是刚性的，以稳定发动机。另一方面，为了在所有发动机转速期间尽量减少发动机固有振动和噪音，发动机支座也必须是软的。发动机悬置系统中的任何故障都会直接导致噪音和振动。

3.2.3 发动机附件（震动附件）

发动机附件可能是发动机振动的来源。例如，附件皮带轮错位或部件故障会影响NVH 状态。容易发生过充的空调压缩机也会导致振动。

随着蛇形带的出现，不再可能一次拆下一个带来隔离源组件。由于蛇形带驱动所有部件，一个部件可能通过共振影响另一个部件。如果拆卸蛇形皮带消除了振动，则重新安装皮带并分别操作每个部件。通过打开和关闭空调，或通过转动方向盘，可以消除或隔离一些部件作为NVH 源。

3.3 发动机噪声类型

当发动机部件偏离其设计的精确规格时，发动机会产生过大或不可忍受的噪音。

活塞的往复运动和其他发动机部件的旋转运动会产生固有的噪声。发动机噪声产生的原因包括：燃烧-空气/燃油混合物被点燃时会产生噪声、摩擦、运动部件和往复部件之间的碰撞、活塞上下移动，部件之间的公差在交替的方向上反复拉动。

（1）异常燃烧

燃烧过程中的任何异常都会导致发动机振动。异常燃烧可能包括以下情况：火花爆震、回火。

（2）爆燃（平爆）

一般来说，当节气门全开或加速时，会产生一种尖锐的撞击声，这就是平击声的特点。如果在这种状态下继续工作，活塞和阀会受到不利影响，导致发动机损坏。

发动机火花爆震（砰的一声）的原因包括：•燃油不足•正时不正确•燃烧室积碳。

（3）后环

当气缸在进气门关闭前关闭时，会出现一种称为弹回的背罩。当进气门打开时，进气歧管中的空气/燃油混合物被点燃并燃烧。这种情况有时很暴力，足以在管汇内引起爆炸性报告。弹出可能由以下原因引起：•燃油混合气过稀•气门正时不正确。

如果混合物太稀，燃烧速度变慢，完成燃烧过程需要更长时间。如果正时受到干扰，可能会发生弹回，发动机可能无法起动。

3.4 排气噪音

排气系统可能是噪声源。排气噪音包括：•排气声音•气流和管道。

废气声音进一步细分为三类：1 脉动2 气柱共振3 气流声音。

排气阀每次打开时都会排出废气，产生脉动声。声音是循环的，与发动机转速和气缸数有关。声音的音调相对较低，主要由这个基本频率组成。

空气柱共振由排气管和消声器产生的声音组成。管道长度和管道的横截面积决定了频率。高速排气会产生气流声。这方面的一个例子是，当排气从排气尾管排出时，空气通过气流或喷射噪声引起的湍流。

噪音和排气噪音可能是由排气系统错位、安装不正确或安装支架损坏或悬挂器故障引起的。这可能会导致各种恼人的噪音，通过彻底的目视检查可以找到这些噪音。

排气系统中的任何这些声音都可以通过许多排气系统部件传送到乘客席。

3.5 发动机点火频率

所有发动机都有固有的一阶振动。发动机也会因振动频率而产生振动。点火频率是指每次气缸燃烧时发动机产生的力。

燃烧的力量产生一个脉冲，随着气缸排列整齐，自然振动产生。发动机承受的负荷越高，振动频率越明显。当发动机出现干扰正常燃烧循环的问题时，振动也会增加。

频率NVH 问题的症状包括：发动机转速灵敏度、扭矩灵敏度、低频噪声、震动或噪声、负载发动机。

如果NVH 问题对频率敏感，当达到特定转速时，可能会导致另一个部件发生共振。点火频率问题通常具有较窄的转速范围。为了防止由高频脉冲产生的振动成为nvh 问题，必须隔离振动。电机安装架的设计目的是将到达乘客席的振动量降至最低。

4 总结

汽车NVH 所覆盖的内容之多，范围之广，本文只是涉及其中之一，并未完全研究。我认为有以下几各方面需要更近一步的完善：

（1）对于汽车NVH 的研究，应展开系统而且全面的分析，对于其他方面，有着不太完善或较为完善的方面值得研究。

（2）以汽车发动机为研究对象，对发动机转速、扭矩、产品设计精度、燃烧状态、排气和点火频率等方面进一步开展标准化试验。

（3）现如今仿真技术的不断成熟，可代替部分汽车试验，但是仍与实际试验有部分差异。同时结合仿真与实际试验，进一步完善试验步骤，缩小差异，仍需深入了解。