汽车发动机和相关系统的激励特征

发动机是汽车最主要的噪声与振动源。与发动机相关的系统的噪声振动特征与发动机相同，这些相关系统包括进气系统、排气系统、悬置系统和传动系统。

汽车上使用的发动机多为四冲程发动机，即曲柄连杆机构带动活塞运动，活塞在气缸内经过进气、压缩、燃烧和排气四个过程，形成一个循环。完成这样一个循环，曲轴转2周，即720°。发动机运动时产生巨大的燃烧压力和惯性力，形成了四种对外界的激励，即由于气体压力产生的扭转力矩、惯性力产生的扭转力矩、不平衡惯性力和不平衡惯性力矩。

发动机的激励与转速有关。怠速转速一般为600～1000r/min，加速运动的转速一般为1000～6000r/min。在不同的转速和负荷下，发动机的燃烧情况不一样，从而产生了不同大小和特征的噪声与振动。

发动机在一个循环内发生一次点火燃烧，燃烧爆炸时产生了巨大激励，这样就形成了一个“阶次”特征。对一个气缸来说，在一个循环内（曲轴转两圈）点火一次，就产生“一阶”激励。如果曲轴转一圈，即360°，也就是说发生“半个循环”，那么就产生“半阶”激励。四缸发动机每个气缸转一圈，都会点火“半次”，因此四个缸转一圈，就点火“两次”，因此四缸发动机的发火阶次是“二阶”。以此类推，六缸和八缸发动机的发火阶次是“三阶”和“四阶”。

由此可见，发动机产生的噪声和振动除了与频率有关外，还与发动机的转速和发火阶次有关。这是发动机产生的噪声和振动有别于其他噪声和振动源的地方。发动机激励有三大特征：

①阶次特征。

②转速特征。

③频率特征。

不同转速、阶次和频率的组合声音就产生了不同的声品质。发动机的振动、进气系统的噪声与振动、排气系统的噪声与振动、悬置系统的振动也有同样的转速、阶次和频率关系。频率（f）与转速和阶次之间的关系可以表达为

四缸发动机除了发火阶次“2阶”外，还有发火阶次的谐阶次，它们是2阶的整数倍，即4阶、6阶、8阶等。另外，还有除了发火阶次和谐阶次的其他整数阶次，如1阶、3阶、5阶等。“半阶次”也是很重要成分，包括0.5阶、1.5阶、2.5阶等。表5-1给出了四缸发动机的转速、阶次和频率的前四阶数据。(www.xing528.com)

表5-1 四缸发动机的转速、阶次和频率的前四阶数据（单位：Hz）

在600～1000r/min的怠速范围，转速基本是固定的或者有较小的波动。因为转速固定，所以怠速激励的频率也就可以确定。例如：一个四缸发动机的怠速为750r/min，那么对应的发火频率为25Hz。

加速过程中，转速在1000～6000r/min范围内变化。将表5-1中的转速、频率和阶次画在一张图上，能形象地说明它们之间的关系，如图5-17所示。横坐标为频率，纵坐标为转速，不同散射线表示了不同的阶次。通过这张图，可以非常直观而清晰地看到转速、频率和阶次三者之间的关系，可以快速找到噪声与振动的频率和阶次。

图5-17 发动机频率、转速和阶次的关系

除了上述的转速、阶次和频率之间的关系外，发动机和其他相关系统的激励还有另外一个特征，即共振。发动机、进气系统和排气系统都有可能产生具有共振特征的轰鸣声，即空气轰鸣声。发动机和排气系统还可能产生结构共振，或者它们的激励频率与悬置支架或者排气挂钩模态频率一致，这些共振激励起车身结构振动，从而在车内产生轰鸣声，即结构轰鸣声。图5-18表示发动机的激励与悬置支架在280Hz处共振，从而在280Hz处车内产生轰鸣声。

图5-18 车内轰鸣声共振带（见彩插）

其他系统，如传动轴系，与发动机激励也有关系，也存在阶次和转速问题，但是传动系统又有其自身的特征，因此对这类系统进行单独的分析。