汽车动力总成对NVH性能的影响及根源

动力总成作为汽车上最主要的激励源，对汽车NVH性能影响最大。无论是车内噪声还是车外通过噪声，动力总成的贡献都是最大的。因此，大量的减振降噪新技术、新工艺、新材料、新设备被应用在动力总成上。

1.动力总成激励类型

动力总成在工作时，其自身会产生振动和噪声。振动会通过悬置、排气吊挂等连接部位向车身传递，进一步引起车身振动和车内噪声。而动力总成辐射出来的噪声还会通过车身空隙直接向车身传递，引起车内噪声，或者向大气中散射，形成车外通过噪声。

动力总成上有大量的运动零部件，如曲轴、连杆、活塞、齿轮、各种泵类等。这些零部件在运动过程中会产生撞击、变形、摩擦等。机械运动会直接产生激励，引起发动机本体的振动，通过悬置系统向车身传递。零部件本身还具有自然模态，并且呈现高频特性。当这些模态被激励起来时，它所激发的能量非常高，会进一步加剧振动。

发动机气缸内有高温高压燃气，其压力呈现周期性变化，如图4.1.3所示。这些燃气在工作过程中所产生的激励非常大，频率也非常高。高温高压燃气本身也会产生气动噪声，直接向外界空间传递。同时，燃气还会对气缸、活塞产生力和转矩，这些激励也是动力总成产生振动和噪声的根源。图4.1.4所示为几款发动机的转矩变动实际测量值（D位工况）。

图4.1.3 发动机气缸内压力曲线

图4.1.4 实测发动机转矩变动值

不同类型的发动机，所产生的激励也是不同的。如常用的四缸发动机，其主要激励是往复运动质量产生的往复惯性力，和气体爆发时产生的倾覆力矩，并且以二阶成分为主，随着阶次的升高，其幅值也越来越小。而一些奇数次成分，如1阶、3阶等，则由于发动机本身的结构形式而相互抵消。对于三缸发动机来说，其主要激励则是1.5阶的倾覆力矩（Roll）、1.0阶的侧倾力矩（Pitch）和摇摆力矩（Yaw）。如果发动机本身带有平衡机构，那么某些特定的激励会被平衡机构抵消，从而使发动机在工作过程中更加平稳。三缸发动机由于结构上的缺陷而存在许多不平衡激励，因此多数三缸发动机都设计有平衡轴，这样一部分激励会被平衡掉。图4.1.5是多种类型发动机的激励形式统计。图中以直列4缸发动机的往复惯性力、往复惯性力矩和气体爆发力矩为基准值，其他方向和阶次的力或者力矩所占的比例。例如，以直例4缸发动机的2阶往复惯性力（F_z）为1N，则同一发动机的4阶往复惯性力为0.022N。再例如，以直例4缸发动机的2阶气体爆发产生的力矩为1N·m，则同一发动机的4阶气体爆发产生的力矩为0.32N·m，其他的以此类推。

还有一些车型上采用了水平对置发动机，如斯巴鲁全系列、保时捷卡宴等。

如果将直列发动机看成是夹角为0°的V形发动机，那么当两排气缸的夹角扩大为180°时，那就是水平对置发动机了。所有的气缸呈水平对置排列，就像是拳击手在搏斗，活塞就是拳击手的拳头（当然拳头可以不止两个），你来我往，毫不示弱。水平对置发动机的英文名（Boxer Engine）意义就是“拳击手发动机”，可简称为B型发动机，如B6、B4，分别代表水平对置6缸和4缸发动机。由于相邻两个气缸水平对置，可以很简单地相互抵消振动，使发动机旋转更平稳。水平对置发动机的重心低。由于它的气缸为“平放”，而不是像V形或直列发动机那样“斜放”或“立放”，因此降低了汽车的重心，同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。由于水平对置发动机本身就左右对称，因此它可使变速器等放置在车身正中，让汽车左右重量对称，而不会像大多数汽车那样重心偏向一侧。水平对置发动机的动力输出轴方向与传动轴方向一致，因此不需要改变动力传递方向或利用齿轮传动，而是可以直接与离合器、变速器对接，动力传递效率较高，使汽车的起跑和加速更迅猛。水平对置发动机的缺点是维修不方便，而且各缸点火间隔独特，使其排气声响比较怪异，普通汽车极少装配水平对置发动机。

图4.1.5 不同发动机的激励类型

现在世界上只有德国保时捷和日本富士两家车厂仍生产这种发动机。

动力总成的类型在概念设计阶段就应该确定下来。常用的动力总成包括三缸发动机、四缸发动机、六缸发动机、八缸发动机，其中六缸发动机和八缸发动机通常是V形结构形式，以减少占用空间。不同类型发动机的激励形式是不同的，因此对于悬置系统的要求也是不同的。

2.动力总成布置方式

动力总成在车上的布置也有很多种形式，如前置、中置和后置，其布置方向也多有不同，如横置、纵置和后置。

（1）前置发动机

前置发动机，即发动机位于前轴之前。前置发动机的优点是简化了车子变速器与驱动桥的结构，特别是对于目前占绝对主流的前轮驱动车型而言，发动机将动力直接输送到前轮上，省略了长长的传动轴，不但减少了功率传递损耗，也大大降低了动力传动机构的复杂性和故障率，如图4.1.6所示。

图4.1.6 前置发动机

另外，将发动机置于驾驶人的前方，在正面撞车时，发动机可以保护驾驶人免受冲击，从而提高了车辆的安全性。

（2）中置发动机

中置发动机，即发动机位于车辆的前后轴之间，一般驾驶舱位于发动机之前或之后。可以这么说，中置发动机的汽车肯定是后轮驱动或者四轮驱动。

汽车在转弯时，汽车各个部分因为惯性都会向弯外移动，发动机是质量最大的部分，所以发动机因惯性而对车体的作用力对汽车在弯中的转向有至关重要的影响。发动机中置的特点就是将车辆中惯性最大的发动机置于车体的中央，这样可以使车身重量分布接近理想平衡状态。一般来说，只有那些超级跑车或者讲究驾驶乐趣的跑车才采用中置发动机。另外一些微型面包车也是发动机中置的，如图4.1.7所示。

图4.1.7 中置发动机

当然中置发动机也有缺点，由于发动机中置，导致车厢狭窄，不能布置较多座位，另外，由于驾乘人员离发动机太近，因此噪声较大。但是，只追求汽车驾驭性能的人们，是不会在乎这些的，甚至一些人更愿意听到发动机咆哮的轰鸣声。

（3）后置发动机

一般来说，最纯正的后置发动机就是将发动机布置在后轴之后，最有代表性的就是大客车，而后置发动机的乘用车屈指可数，最有代表性的就是保时捷911（图4.1.8），当然SMART也是后置发动机。

（4）横置发动机

横置发动机（图4.1.9）是指发动机和汽车前轴平行。简单地讲就是你站在车头前面向发动机，如果发动机横着放在你眼前，就是横置发动机。

图4.1.8 后置发动机

一般来说，前驱的紧凑型轿车、大多数的中级轿车和少数高级轿车都采用了横置发动机的布置方式。

横置发动机的曲轴、变速器的输入输出轴以及车桥都是平行的，所以如果是前驱车的话，最适合的就是前横置发动机，动力传输距离短，方向一致，因此传动效率较高。(www.xing528.com)

图4.1.9 横置发动机

由于横置发动机占用的纵向空间小，可以极大限度缩短发动机舱的纵向空间，换来的是宽敞的驾乘空间，尤其是前排乘客的腿部拓展的空间。这对于尺寸有限的紧凑型轿车来讲尤为重要。

前后重量分布不平衡的问题则是横置发动机的最大缺陷，由于横置发动机发动机曲轴变速器输入轴平行连接在一起的，使其可以布置在发动机前轴之前，但是这些重量最重的汽车部件全部集中在车头前方就使得前轴负荷过大，从而容易出现转向不足的情况，而头重脚轻的前后轴配重也会在高速过弯时使车尾的后轮缺乏重压，某些轴荷分配不合理的横置发动机轿车甚至达到了前70%后30%，其性能可想而知。

另一方面，由于横置发动机变速器安装位置过于偏向一侧的原因，其驱动轴是一长一短的。较长的驱动轴由于刚度较低，模态低，因此很容易被发动机激励激发起来，引起车内噪声。解决这一问题的有效方法是将长驱动轴分为两节，或者在轴上安装动力吸振器。

由于横置发动机的曲轴中心线与车身前后方向垂直，发动机在工作时其倾覆力矩很容易将车身的弯曲模态激发起来。因此，当发动机横置时对车身的刚度要求较高，一般要求车身的弯曲模态至少要高于发动机怠速激励5Hz以上。

根据发动机和变速器的位置，横置发动机还包括两种类型。以车头方向为前，如果发动机在左侧、变速器在右侧，则称为W-E配置，反之称为E-W配置。

对于E-W配置的发动机，往复惯性力、力矩变动引起的座椅振动幅值是相等的，但是相位相差180°，一部分相互抵消，所以相对于W-E配置的发动机，座椅的振动要小。如图4.1.10所示为理论分析结果。

图4.1.11为发动机不同配置引起的座椅振动实测值，和理论分析结果非常一致。E-W配置的发动机引起的怠速振动相对要小一些。

图4.1.10 发动机配置引起的怠速振动的差异

图4.1.11 发动机配置引起的座椅振动实测值

（5）纵置发动机

纵置发动机（图4.1.12）是指发动机与汽车的前轴垂直，简单地讲就是你站在车头前面向发动机，如果发动机竖着放在你眼前，那就是纵置式发动机。

一般来说后驱车都采用了纵置发动机，因为动力要传递到后轴上，在传动距离无法缩短的情况下，就要尽可能减少动力的方向转换。如果采用横置的话，因为曲轴和传动轴的方向垂直，所以先要转换一次方向，以通过传动轴传输动力，但是传动轴的方向和后轴的方向也是垂直的，所以在后轴需要再将旋转方向转换过来，这无疑降低了传动系统的效率。而使用纵置发动机就可以使得曲轴与传动轴平行，减少了一次传动方向的转换，无疑是降低了能量的损失。

图4.1.12 纵置发动机

另一方面，纵置发动机可以让变速器的位置尽量向后伸，使动力总成的重心位于前轴之后，这样可以让车身前后重量更加平均。

在纵置发动机平台上，还有一个比较特殊的例子，这就是使用纵置发动机前轮驱动的奥迪。虽然奥迪使用纵置发动机更多是为了照顾quattro这个传统，但是其纵置发动机前轮驱动发动机的布局同样可以带来不错的前后配重比。这种布置可以将发动机纵向布置在汽车前轴之前，与发动机直接相连的变速器就会受到发动机舱空间的限制，就要布置在前轴之后，变速器的输入轴与发动机曲轴围绕同一轴线转动，对于承受着发动机和变速器重量的前轴来说，它就像是天平的支点，发动机和变速器分布在前轴的前后两侧，使得前轴承受的发动机和变速器重量分布更加均匀，重心配比更为合理，虽然还是会有前驱车的推头现象，但是其配重比要明显优于普通横置发动机车型，例如前驱的奥迪A4的前后配重比就达到了较完美的55∶45。

不过纵置发动机也有缺点，由于纵置致使发动机占用发动机舱较长的空间，导致驾乘空间有所损失。另外，由于曲轴中心线与传动轴共线或平行，发动机旋转力矩很容易将驱动系统的扭转模态激发起来。因此在设计过程中要重点关注这一点。

（6）反置发动机

“反置”是横置发动机的一种特殊布置方式，通常的横置发动机排气歧管在前，进气歧管在后的布置方式，简单地说就是“前出后进”，如果将进排气的位置调换，将进气歧管置于前端，排气歧管置于后部，变成“前进后出”，就是所谓的“反置”了。只有横置发动机才有“正反置”之说，纵置发动机进排气歧管在左右两端，互换并没有什么差别，所以是没有这样的说法的。在我们周围采用反置发动机的车子有很多，福特福克斯、蒙迪欧致胜、马自达睿翼、蓝瑟翼神，以及新君威2.4等车型上使用的都是反置发动机。

反置发动机（图4.1.13）的优势在于进气歧管处在迎风面，能够更好地降低进气温度，温度的下降使空气密度提高，单位体积内的氧含量也随之提升，能够使燃烧更加充分，提高效率，有效降低油耗。对于非缸内直喷的发动机而言，反置式的布置使得供油管路也随进气歧管移到了前方，有更好的散热效果。而排气歧管后移的设计，使排气管不再经过发动机下方，可以使发动机位置整体下移，有效降低重心，提升操控表现，并且排气管与发动机距离更远，降低了散热系统的热负荷，也避免了高温尾气对油底壳的影响，不再“曲折”的管路使得排气阻力大大降低，排气更加顺畅，效率更高，发动机在高转速时能够输出更高的功率。

图4.1.13 反置发动机

不过，反置发动机也并非完美，首先排气管位置的后移使之更加靠近乘员舱，高温和排气噪声很容易渗透到乘员舱，所以为了减少高温和噪声的影响，就需要花更多的成本在防火墙等位置做隔热隔声的处理。另一个缺点，是反置发动机顺畅的排气管路减小了排气管内的回压，使得发动机低转速时的排气效率降低，进而影响进气效率，进气歧管内的混合气常常不能被完全吸入气缸内，也容易造成混合气密度不均、燃油燃烧不够充分等情况，而未进入气缸而吸附在进气管壁和气门上的细小油滴也很容易在高温环境下形成积炭。这就是反置发动机通常在低转速时的动力输出较弱的原因，也是很多使用反置发动机的车型容易产生积炭的主要因素之一。

随着可变长度进气歧管以及目前主流的可变正时气门技术、正在逐渐兴起的缸内直喷技术的应用，反置发动机的弱势正在被逐渐改善。可变正时气门技术使“气流及气门开关”对于传统多点电喷发动机混合气浓度的不利影响大大降低，而直喷技术的应用则进一步削弱了气门开关和歧管气流对混合气浓度的不利影响，将燃油直接注入气缸，能够更加精准地计算和控制喷油量，相比缸外喷射减少了燃油损失，达到提高效率降低油耗的目的。可以说，反置发动机在这方面的弱势已被有效弥补，能够在全转速段实现更高的效率，并且更好地发挥其高转速输出的特性。

3.发动机进气方式

发动机从进气方式上可以分为自然吸气和增压发动机两种。

废气涡轮增压器利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，带动同轴的叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。废气涡轮增压系统利用发动机排出废气的能量推动增压器转动达到增压目的。废气涡轮增压系统的增压效率高于机械增压；但发动机动力输出略滞后于节气门的开启，加大节气门后一般需要等片刻，稍后发动机会有明显的动力爆发。自然吸气的发动机一般装在比较便宜的汽车上，涡轮增压发动机一般装在中高档车上，燃烧更充分，效能更高。

除了废气涡轮增压器以外，还有机械增压器、复合增压器和气波增压器。

机械增压器装置在发动机上并由传动带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压机的转子旋转，从而将空气增压吹入。它的优点是，转子的速度与发动机转速是相对应的，所以它的动力输出没有滞后，更为流畅；但它的缺点同样明显，因为它消耗一部分发动机动力，造成增压效率不高。

复合增压是将机械增压和涡轮增压两套系统集合在一台发动机上，让双方的优缺点互相补充，达到更好的增压效果。它的优点在于，动力输出大、油耗低、噪声小，但缺点是结构复杂、对工艺要求高。

气波增压是利用废气的高压通过一种特殊的旋转小室，靠空气压力波的传播给进气管的新鲜空气加压，是一种新型的增压器。这种系统低速增压性能好、加速性好，但尺寸大、笨重且噪声大。

增压器能显著提高进气效率，但是复杂的增压器本身存在着振动和噪声，特别是一些高频成分的噪声，对车内声品质的影响很大。因此，在选择和配置增压器时，有时会有很大的困难。