裝載機動力傳動係噪聲機理分析

【摘要】　針對輪式裝載機具體情況，分析了裝載機動力傳動係噪聲產生的機理，並給出主要的計算方法，同時就各種噪聲的控製原則提出相應的建議。
【關鍵詞】　裝載機　動力傳動係　噪聲
前言
對於輪式裝載機來說，其噪聲包括輻射噪聲和司機室內耳旁噪聲兩部分。輻射噪聲的構成比較複雜，但主要來源於發動機排氣噪聲和冷卻風扇的運轉噪聲以及發動機振動誘發所產生的車身結構噪聲；裝載機的司機室內噪聲主要是低頻聲，它是由發動機和動力總成的振動所誘發的結構噪聲。與低頻結構噪聲相關的部件有動力總成係統、傳動係統、車身係統等，總的來說，動力傳動係及其相關零部件是振動的主要來源，它們之間的優化組合是降低噪聲的首要任務。
１　發動機噪聲
發動機的振動、噪音是裝載機振動和噪音的最大來源。柴油機上的激振力可分為燃燒發生的直接激振力和柴油機工作時的機械力。
柴油機上的噪聲按其產生的機理可分為三大類，即空氣動力性噪聲，燃燒噪聲和機械噪聲，而排氣係統中的空氣動力性噪聲通常是主要的噪聲源，一般來說，如果能夠有效地降低柴油機的排氣噪聲，就能大幅度地降低柴油機的總噪聲級。
在正常情況下，柴油機噪聲隨其轉速的增加直線上升。自然吸氣式四衝程柴油機每增加１０倍轉速，噪聲增大３０ｄＢ（Ａ），四衝程增壓式柴油機每增加１０倍轉速，噪聲增量為４０ｄＢ。若在增速過程中出現噪聲峰波，就是噪聲源識別當中的問題所在，可以用１／３倍頻程頻譜分析，初步查明主要噪聲成分。
●空氣動力性噪聲
排氣噪聲產生機理：柴油機工作過程中，在排氣閥處，氣體的流動是不穩定的，它以壓力波動的方式，傳到排氣係統的出口，在尾管出口處，連速度波動產生了輻射噪聲，可見排氣噪聲來源於排氣係統內的不穩定流動。排氣噪聲的定義通常指的是排氣係統輻射出來的總的噪聲，包括管壁和消音器壁的輻射噪聲以及尾管出口的氣動輻射噪聲，若將排氣係統的管壁和消音器壁假設為剛性的，則排氣噪聲指的是僅氣體動力性噪聲。降低排氣噪聲最有效方法就是設計安裝一個高效、低阻力的排氣消音器。影響排氣噪聲的主要有發動機轉速、氣缸數、負荷、排氣管尺寸等。
內燃機排氣開始時，燃氣溫度約為８００－１０００℃，壓力約為０．４－０．５Ｍｐａ，但排氣閥打開出現縫隙時，廢氣以脈衝的形式從縫隙中衝出，形成能量很高、頻率很複雜的噪聲。根據排氣過程產生噪聲的機理，有以下幾種成分。
①氣壓力脈動聲；
②流通過氣門、氣門座等處發生的渦流聲；
③由於邊界層氣流擾動發生的噪聲
④排氣出口噴流噪聲。
多缸柴油機排氣噪聲的頻譜中，低頻出往往存在一個明顯的噪聲峰值，這個噪聲就是基頻噪聲。由於各氣缸排氣是在指定的相位上周期性進行。因而這是一種周期性噪聲。基頻噪聲的頻率和每秒鍾的排氣次數，即爆發頻率是相同的。基頻噪聲的頻率計算公式為：
ｆ＝Ｎｎ／６０τ
式中：Ｎ——柴油機氣缸數；
ｎ——柴油機轉速；（ｒ／ｍｉｎ）
τ——內燃機衝程係數；四衝程τ＝２，二衝程τ＝１
●燃燒噪聲
通常把燃燒時氣缸壓力通過活塞、連杆、主軸承傳至發動機機體以及通過氣缸蓋等引起內燃機結構表麵振動而輻射的噪聲稱為燃燒噪聲。柴油機工作時燃燒室在極短時間內發生高溫高壓的燃燒，急速地釋放出能量。這種急劇的壓力升高激發起發動機結構振動，從而輻射出噪聲。很明顯，氣缸壓力是燃燒噪聲的強製力，因此燃燒噪聲與氣缸壓力有函數關係，此外還與發動機結構的剛度，發動機表麵的聲輻射效應及周圍空氣的傳遞特性有關。
柴油機的燃燒過程通常分為四個階段——著火延遲期、急燃期、緩燃期和後燃期。對柴油機燃燒過程的研究一般采用壓力曲線（Ｐ—?中）分析的方法。圖１是典型的氣缸壓力曲線。
氣缸壓力與燃燒噪聲都是周期現象，氣缸壓力的頻率成分支配燃燒噪聲的頻率成分。將氣缸壓力與燃燒噪聲都進行傅裏葉分析可以了解到聲壓級與氣缸壓力級有明顯的依賴關係是在較高的頻段。不管從壓力曲線圖或頻譜圖上分析，很顯然降低燃燒噪聲的關鍵是控製燃燒壓力的升高率。也就是說，柴油機應力求選用柔和的工作過程。壓力升高率取決於著火延遲和燃料噴射規律。因此，降低燃燒噪聲的一般方法有兩個方麵：
①提高壓縮比，適當延遲噴油提前角，使用十六烷值高的燃料。這類措施用於縮短著火延遲期。
②減小初期的燃料噴射率，利用進氣渦流減少著火前的可燃混合氣量。
●機械噪聲
由於柴油機上運動副很多，所以引起的機械激振力也很多，其中有活塞與氣缸敲擊產生的噪聲，正時齒輪響聲，燃油噴射係統噪聲，配氣機構噪聲等。
在發動機中，曲軸、飛輪、皮帶輪等轉動部件中的任何一個都會形成振動力，由於這個振動力與部件的不平衡量成正比，與其每分鍾轉速的平方成正比，因此，當轉速增加時，振動也被急劇放大，所以轉動部件之間的平衡量最好小一些。其它機械噪音來自發動機活塞、氣門機構等，構成了發動機噪音的一部分，如活塞敲缸，挺杆噪音，氣門開閉所產生的噪音，氣門和氣門彈簧振動所產生的噪音，以及正時鏈與鏈輪齧合時產生的噪音。
活塞敲缸是活塞側麵敲擊缸壁所產生的噪音，當作用到活塞上的壓縮壓力轉變為燃燒壓力時，就產生了敲缸。活塞敲缸因活塞間隙的不同而不同，活塞間隙大時，最有可能產生敲缸聲。活塞敲缸的特點是發動機冷態時很響，因此時活塞間隙大，隨著發動機的溫升，聲音也變小。要減輕活塞敲缸，必須減少主側壓力，因此有些發動機將活塞銷的中心與活塞中心線偏離一定距離，即可減少敲缸聲。減少活塞敲缸的另一方法是在活塞裙部安裝鋼架，用以減少活塞裙部的熱變形，從而可使用尺寸略大的活塞，將活塞間隙減小，使活塞敲缸聲變小。
２　傳動係噪聲
輪式裝載機傳動係主要部件包括三元件的液力變矩器、動力換擋變速箱、傳動軸、驅動橋和輪胎等重要部件。這些部件在裝載機工作時都要進行高速的運轉，其中所包含的各種運動付零件相互作用時就會產生振動或噪聲。例如齒輪和軸承是傳動係大部分部件都具有的。齒輪在運行時由於製造精度、剛度等的不同情況，會產生不同程度的振動和噪聲。而軸承由於其工作的固有性質，決定它總是存在摩擦和振動。這是它產生噪聲的主要根源。齒輪噪聲和軸承噪聲是機械傳動係噪聲的主要根源。對於裝載機使用的液力傳動係，除了齒輪噪聲和軸承噪聲，液力變矩器的液流噪聲也是一個重要方麵。傳動軸運行的不平衡作用力及銷子的鬆動、磨損等都可以產生脈衝噪聲。研究傳動係各部件的噪聲發生原因及其解決方法對於降低裝載機輻射噪聲是十分有效和重要的一個方麵。
齒輪噪聲產生機理——在齒輪齧合過程中，節線衝力和齧合衝力是振動和發生噪聲的激振源，受這兩種力的激勵，一方麵它們將產生頻率為齧合頻率和高次諧波的受迫振動，另一方麵它們還生頻率為固有頻率的瞬態自激振動。當齧合頻率與固有頻率互為整數倍時可能產生強烈的共振。因此，齒輪噪聲有兩種表現形式：一是齧合頻率噪聲，另一是以固有頻率振動所產生的噪聲。
齒輪噪聲與載荷及轉速有關。試驗證明，在低速時，載荷增加一倍齒輪噪聲約增加３ｄＢ（Ａ），當載荷一定時，轉速增加一倍，噪聲約增加６ｄＢ（Ａ）。當在高速時，齒輪噪聲與載荷的平方成正比，即齒輪載荷增加一倍，噪聲級增加６ｄＢ（Ａ）。齒輪傳遞的有效功率與節線速度和切向分力的乘積成正比，因此齒輪裝置發出的聲功率級與所傳遞的功率直接有關。傳遞的功率增加一倍，噪聲級增加６ｄＢ（Ａ）。齒輪噪聲與載荷、速度有一定的線性關係。齒輪裝置的潤滑對噪聲的影響也不可忽視。適當的潤滑可以減少齒麵間的摩擦力，吸收振動，起到一定的消聲作用。
裝載機傳動係噪聲主要包括齒輪齧合和振動而產生的變速器、驅動橋噪聲，旋轉和振動傳遞而產生的傳動軸噪聲，以及在車輛高速行駛時由於輪胎滾動而形成的輪胎噪聲等幾個方麵，從對裝載機總噪聲貢獻大小來看，相對於發動機噪聲而言，傳動係噪聲能量較小。在目前情況下，傳動係不是裝載機主要噪聲源，但隨著其它各總成噪聲水平的降低，其所占噪聲能量比例將相對增大。
３　風扇噪聲
風扇噪音是由冷卻風扇轉動產生的，與轉速成正比。風扇噪音主要是由風扇葉片切割空氣或由風扇後麵的部件所產生的空氣紊流產生的，通過改變葉片的直徑、數量、形狀或角度，以及采用可變葉片風扇或改進風扇罩形狀都可以減少風扇噪音。
風扇噪聲在內燃機噪聲源中也占有較大比重。風扇噪聲主要是由葉片旋轉噪聲和渦流噪聲引起的，前者是窄帶噪聲，後者是寬帶噪聲。此外，風扇的護風圈等結構由於共振也會產生機械噪聲。
旋轉噪聲是由風扇旋轉的葉片周期性打擊空氣質點，引起的壓力脈動麵激發的噪聲，這種周期性的壓力脈動是由一個穩態的基頻和一係列諧波分量的疊加而成。這些脈動分量可用下式表示：
ｆ＝ｉｎｚ／６０ （Ｈｚ）
式中：ｚ——風扇葉片數；
ｎ——風扇轉速，（ｒ／ｍｉｎ）；
ｉ——１，２，３…。
風扇旋轉時，渦流噪聲的頻率取決於葉片與氣體的相對速度，而葉片的圓周速度隨與圓心的距離而變化，因此，渦流噪聲的頻率是連續的，噪聲的頻譜也是連續的。渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲，其主要峰值頻率為：
ｆ＝ＫＶ／ｄ （Ｈｚ）
式中：Ｋ——常數；０．１５～０．２２
Ｖ——風扇圓周線速度，（ｍ／ｓ）；
ｄ——葉片在氣流入射方向上的厚度（ｍ）。
影響風扇噪聲的因素主要有以下幾方麵：
①風扇轉速、直徑、靜壓
研究表明，風扇的風量越大，其噪聲也就越高，風扇直徑的大小、轉速的高低直接影響風扇噪聲。三者有以下關係式表示：
Ｌ∞ＤＮ
式中：Ｌ——噪聲聲壓級；
Ｄ——風扇直徑；
Ｎ——風扇轉速。
風扇直徑的大小、轉速的高低與風扇風量的關係：
Ｖ∞ＤＮ
式中：Ｖ——風扇風量；
Ｄ——風扇直徑；
Ｎ——風扇轉速。
因此，為了保證需要的風量，適當地增大直徑、減小轉速是適宜的。風扇風量的大小是根據內燃機的散熱量來確定，從降噪的角度考慮，增強內燃機及其冷卻係統的散熱能力，可以減小風扇風量，降低噪聲。
②風扇效率
普遍規律是，風扇效率越低，消耗功率越大，風扇噪聲越大。
風扇消耗之功率為：Ｎ＝ｐＶ／ηηηｖ
式中：Ｖ——風扇風量；
η——風扇的液力效率；
η——風扇的機械效率；
η——風扇的容積效率；
由式可見，如果風扇的總效率提高，則同樣風量時風扇消耗功率越小，噪聲亦隨之減小。通常變化不大，隻要提高風扇的液力效率和容積效率，實際上都有利於降低噪聲。
③風扇的葉片形狀、材料、葉片數
風扇葉片的形狀對風扇效率影響也很大。風扇葉片的形狀直接影響葉片附近的渦流強度，從而影響風扇的效率。因此，改進葉片的形狀，使之有較好的流線型和合適的彎曲角度，不僅有利於減少渦流噪聲，而且可以大大提高風扇效率。
試驗表明，風扇的葉片材料，對其噪聲也有一定程度的影響．例如：鑄鋁的葉片比衝壓鋼板的葉片噪聲小；尼龍葉片比金屬的葉片噪聲小。一般說來，材料的損耗係數越大，其噪聲越小。
增加風扇的葉片數，在轉速不變的條件下，可以增加風扇的風量。或者在獲得同等風量的前提下，可以降低風扇的轉速，從而降低風扇噪聲。但葉片數在６以上時，增加葉片數，風量增加有限，且在降噪特性上往往有負麵的作用。
低速寬葉風扇與高速窄葉風扇在相同的風量情況下，前者比後者產生的噪聲聲壓級低４ｄＢ（Ａ），並且功率消耗要減少２７％。縮小風扇與護風圈的間隙，防止氣流紊亂，可以降低風扇噪聲。試驗表明，當間隙為零時，風量增加２７％，而噪聲下降３ｄＢ（Ａ），降低轉速使風量回到原有水平，噪聲又可以下降２ｄＢ（Ａ）。
④風扇、散熱器、風罩的相對位置
工程機械風扇有吸風式和吹風式兩種，選擇的主要原則是風扇形成的空氣流動方向必須與主機正向行駛時迎風空氣流動方向一致。裝載機發動機後置，一般采用吹風式風扇。
降低風扇噪聲，也可以從風扇冷卻係統的結構參數以及各部件之間的相互位置來考慮。適當選擇風扇與散熱器之間的距離以及風扇與風罩之間的間隙，對降低風扇噪聲也是有意義的。隨著風扇與散熱器之間的距離的增加，風扇的冷卻能力、流量和噪聲都要增加。而且各自在某一點達到最大值，然後又逐漸減小。試驗表明，風扇端麵離散熱器芯子過近或過遠，會出現無風區或發生回流現象。推薦風扇端麵距離散熱器芯子的距離為風扇直徑的１０％－１５％，這樣既能充分發揮風扇的冷卻能力，又可以使噪聲最小。
風扇前後的導風罩是產生渦流噪聲的重要來源之一，風扇入口處應呈流線型，風扇與導風罩組成的氣流通道表麵應光滑，以改善冷卻風的流動狀態，從而降低冷卻係統的噪聲。風扇與導風罩之間要有適當的間隙，徑向間隙一般應控製在２．５％風扇直徑內，最大不宜超過３％，否則將大大降低風扇效率。通常風扇和導風罩的前後關係應是：吸風風扇有２／３風扇投影寬度在導風罩內，吹風式風扇在導風罩內的寬度以１／３風扇葉片寬度為宜。
液壓驅動獨立散熱係統可以根據載荷的需要改變風扇轉速，減少功率消耗，它也使得周圍噪音水平降低，更符合環保要求，可以方便整機輻射噪聲的控製。卡特、沃爾沃、小鬆、現代等生產的新型裝載機已采用獨立散熱係統。
采用溫控離合器風扇或電控風扇都可減少風扇噪音。目前，通過電子控製的液壓控製風扇也可很好地減輕風扇噪音，這種變速風扇專為減少風扇噪音而設計，風扇的控製器獲得發動機轉速和冷卻溫度數據以及其它信號。用以控製液壓泵高壓端的電磁閥，調節供給液壓馬達的液流量，從而改變風扇轉速。由於裝載機工作環境惡劣，冷卻係統能力要求高，風扇負荷加大，風扇噪聲相對汽車變得更加嚴重，在整機噪聲中的貢獻相對更大。
在輪式裝載機各個係統的匹配和設計當中，協同考慮以上幾個方麵的影響因素，就可以在保證係統冷卻能力的前提下，獲得最小的風扇噪聲。
參考文獻
〖０１〗趙玫，周海亭等：《機械振動與噪聲學》 科學出版社２００４．９
〖０２〗潘仲麟：《噪聲控製技術》 化學工業出版社２００６
〖０３〗張誌華，周鬆，黎蘇： 《內燃機排放與噪聲控製》 哈爾濱工業大學出版社 １９９９
〖０４〗趙玫，陳光冶：《振動與聲學問題的計算》 上海交通大學 振動衝擊噪聲國家重點實驗室１９９９年３月
〖０５〗靳曉雄，胡子穀：《工程機械噪聲控製學》 同濟大學出版社，１９９７的貢獻相對更大。

作者： 徐工研究院 蔣真平