装载机动力传动系噪声机理分析
更新时间:2014-06-29 17:58:07 来源: 作者: 浏览:773次 评论:0条
导读： 【摘要】针对轮式装载机具体情况，分析了装载机动力传动系噪声产生的机理，并给出主要的计算方法，同时就各种噪声的控制原则提出相应的建议。 【关键词】装载机动力传动系噪声 前言 对于轮式装载机来说，其噪声包括辐射噪声和司机室内耳旁噪..
【摘要】针对轮式装载机具体情况，分析了装载机动力传动系噪声产生的机理，并给出主要的计算方法，同时就各种噪声的控制原则提出相应的建议。
【关键词】装载机动力传动系噪声
前言
对于轮式装载机来说，其噪声包括辐射噪声和司机室内耳旁噪声两部分。辐射噪声的构成比较复杂，但主要来源于发动机排气噪声和冷却风扇的运转噪声以及发动机振动诱发所产生的车身结构噪声；装载机的司机室内噪声主要是低频声，它是由发动机和动力总成的振动所诱发的结构噪声。与低频结构噪声相关的部件有动力总成系统、传动系统、车身系统等，总的来说，动力传动系及其相关零部件是振动的主要来源，它们之间的优化组合是降低噪声的首要任务。
１发动机噪声
发动机的振动、噪音是装载机振动和噪音的最大来源。柴油机上的激振力可分为燃烧发生的直接激振力和柴油机工作时的机械力。
柴油机上的噪声按其产生的机理可分为三大类，即空气动力性噪声，燃烧噪声和机械噪声，而排气系统中的空气动力性噪声通常是主要的噪声源，一般来说，如果能够有效地降低柴油机的排气噪声，就能大幅度地降低柴油机的总噪声级。
在正常情况下，柴油机噪声随其转速的增加直线上升。自然吸气式四冲程柴油机每增加１０倍转速，噪声增大３０ｄＢ（Ａ），四冲程增压式柴油机每增加１０倍转速，噪声增量为４０ｄＢ。若在增速过程中出现噪声峰波，就是噪声源识别当中的问题所在，可以用１／３倍频程频谱分析，初步查明主要噪声成分。
空气动力性噪声
排气噪声产生机理：柴油机工作过程中，在排气阀处，气体的流动是不稳定的，它以压力波动的方式，传到排气系统的出口，在尾管出口处，连速度波动产生了辐射噪声，可见排气噪声来源于排气系统内的不稳定流动。排气噪声的定义通常指的是排气系统辐射出来的总的噪声，包括管壁和消音器壁的辐射噪声以及尾管出口的气动辐射噪声，若将排气系统的管壁和消音器壁假设为刚性的，则排气噪声指的是仅气体动力性噪声。降低排气噪声最有效方法就是设计安装一个高效、低阻力的排气消音器。影响排气噪声的主要有发动机转速、气缸数、负荷、排气管尺寸等。
内燃机排气开始时，燃气温度约为８００－１０００℃，压力约为０．４－０．５Ｍｐａ，但排气阀打开出现缝隙时，废气以脉冲的形式从缝隙中冲出，形成能量很高、频率很复杂的噪声。根据排气过程产生噪声的机理，有以下几种成分。
①气压力脉动声；
②流通过气门、气门座等处发生的涡流声；
③由于边界层气流扰动发生的噪声
④排气出口喷流噪声。
多缸柴油机排气噪声的频谱中，低频出往往存在一个明显的噪声峰值，这个噪声就是基频噪声。由于各气缸排气是在指定的相位上周期性进行。因而这是一种周期性噪声。基频噪声的频率和每秒钟的排气次数，即爆发频率是相同的。基频噪声的频率计算公式为：
ｆ＝Ｎｎ／６０τ
式中：Ｎ——柴油机气缸数；
ｎ——柴油机转速；（ｒ／ｍｉｎ）
τ——内燃机冲程系数；四冲程τ＝２，二冲程τ＝１
燃烧噪声
通常把燃烧时气缸压力通过活塞、连杆、主轴承传至发动机机体以及通过气缸盖等引起内燃机结构表面振动而辐射的噪声称为燃烧噪声。柴油机工作时燃烧室在极短时间内发生高温高压的燃烧，急速地释放出能量。这种急剧的压力升高激发起发动机结构振动，从而辐射出噪声。很明显，气缸压力是燃烧噪声的强制力，因此燃烧噪声与气缸压力有函数关系，此外还与发动机结构的刚度，发动机表面的声辐射效应及周围空气的传递特性有关。
柴油机的燃烧过程通常分为四个阶段——着火延迟期、急燃期、缓燃期和后燃期。对柴油机燃烧过程的研究一般采用压力曲线（Ｐ—中）分析的方法。图１是典型的气缸压力曲线。
气缸压力与燃烧噪声都是周期现象，气缸压力的频率成分支配燃烧噪声的频率成分。将气缸压力与燃烧噪声都进行傅里叶分析可以了解到声压级与气缸压力级有明显的依赖关系是在较高的频段。不管从压力曲线图或频谱图上分析，很显然降低燃烧噪声的关键是控制燃烧压力的升高率。也就是说，柴油机应力求选用柔和的工作过程。压力升高率取决于着火延迟和燃料喷射规律。因此，降低燃烧噪声的一般方法有两个方面：
①提高压缩比，适当延迟喷油提前角，使用十六烷值高的燃料。这类措施用于缩短着火延迟期。
②减小初期的燃料喷射率，利用进气涡流减少着火前的可燃混合气量。
机械噪声
由于柴油机上运动副很多，所以引起的机械激振力也很多，其中有活塞与气缸敲击产生的噪声，正时齿轮响声，燃油喷射系统噪声，配气机构噪声等。
在发动机中，曲轴、飞轮、皮带轮等转动部件中的任何一个都会形成振动力，由于这个振动力与部件的不平衡量成正比，与其每分钟转速的平方成正比，因此，当转速增加时，振动也被急剧放大，所以转动部件之间的平衡量最好小一些。其它机械噪音来自发动机活塞、气门机构等，构成了发动机噪音的一部分，如活塞敲缸，挺杆噪音，气门开闭所产生的噪音，气门和气门弹簧振动所产生的噪音，以及正时链与链轮啮合时产生的噪音。
活塞敲缸是活塞侧面敲击缸壁所产生的噪音，当作用到活塞上的压缩压力转变为燃烧压力时，就产生了敲缸。活塞敲缸因活塞间隙的不同而不同，活塞间隙大时，最有可能产生敲缸声。活塞敲缸的特点是发动机冷态时很响，因此时活塞间隙大，随着发动机的温升，声音也变小。要减轻活塞敲缸，必须减少主侧压力，因此有些发动机将活塞销的中心与活塞中心线偏离一定距离，即可减少敲缸声。减少活塞敲缸的另一方法是在活塞裙部安装钢架，用以减少活塞裙部的热变形，从而可使用尺寸略大的活塞，将活塞间隙减小，使活塞敲缸声变小。
２传动系噪声
轮式装载机传动系主要部件包括三元件的液力变矩器、动力换挡变速箱、传动轴、驱动桥和轮胎等重要部件。这些部件在装载机工作时都要进行高速的运转，其中所包含的各种运动付零件相互作用时就会产生振动或噪声。例如齿轮和轴承是传动系大部分部件都具有的。齿轮在运行时由于制造精度、刚度等的不同情况，会产生不同程度的振动和噪声。而轴承由于其工作的固有性质，决定它总是存在摩擦和振动。这是它产生噪声的主要根源。齿轮噪声和轴承噪声是机械传动系噪声的主要根源。对于装载机使用的液力传动系，除了齿轮噪声和轴承噪声，液力变矩器的液流噪声也是一个重要方面。传动轴运行的不平衡作用力及销子的松动、磨损等都可以产生脉冲噪声。研究传动系各部件的噪声发生原因及其解决方法对于降低装载机辐射噪声是十分有效和重要的一个方面。
齿轮噪声产生机理——在齿轮啮合过程中，节线冲力和啮合冲力是振动和发生噪声的激振源，受这两种力的激励，一方面它们将产生频率为啮合频率和高次谐波的受迫振动，另一方面它们还生频率为固有频率的瞬态自激振动。当啮合频率与固有频率互为整数倍时可能产生强烈的共振。因此，齿轮噪声有两种表现形式：一是啮合频率噪声，另一是以固有频率振动所产生的噪声。
齿轮噪声与载荷及转速有关。试验证明，在低速时，载荷增加一倍齿轮噪声约增加３ｄＢ（Ａ），当载荷一定时，转速增加一倍，噪声约增加６ｄＢ（Ａ）。当在高速时，齿轮噪声与载荷的平方成正比，即齿轮载荷增加一倍，噪声级增加６ｄＢ（Ａ）。齿轮传递的有效功率与节线速度和切向分力的乘积成正比，因此齿轮装置发出的声功率级与所传递的功率直接有关。传递的功率增加一倍，噪声级增加６ｄＢ（Ａ）。齿轮噪声与载荷、速度有一定的线性关系。齿轮装置的润滑对噪声的影响也不可忽视。适当的润滑可以减少齿面间的摩擦力，吸收振动，起到一定的消声作用。
装载机传动系噪声主要包括齿轮啮合和振动而产生的变速器、驱动桥噪声，旋转和振动传递而产生的传动轴噪声，以及在车辆高速行驶时由于轮胎滚动而形成的轮胎噪声等几个方面，从对装载机总噪声贡献大小来看，相对于发动机噪声而言，传动系噪声能量较小。在目前情况下，传动系不是装载机主要噪声源，但随着其它各总成噪声水平的降低，其所占噪声能量比例将相对增大。
３风扇噪声
风扇噪音是由冷却风扇转动产生的，与转速成正比。风扇噪音主要是由风扇叶片切割空气或由风扇后面的部件所产生的空气紊流产生的，通过改变叶片的直径、数量、形状或角度，以及采用可变叶片风扇或改进风扇罩形状都可以减少风扇噪音。
风扇噪声在内燃机噪声源中也占有较大比重。风扇噪声主要是由叶片旋转噪声和涡流噪声引起的，前者是窄带噪声，后者是宽带噪声。此外，风扇的护风圈等结构由于共振也会产生机械噪声。
旋转噪声是由风扇旋转的叶片周期性打击空气质点，引起的压力脉动面激发的噪声，这种周期性的压力脉动是由一个稳态的基频和一系列谐波分量的叠加而成。这些脉动分量可用下式表示：
ｆ＝ｉｎｚ／６０（Ｈｚ）
式中：ｚ——风扇叶片数；
ｎ——风扇转速，（ｒ／ｍｉｎ）；
ｉ——１，２，３…。
风扇旋转时，涡流噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度，而叶片的圆周速度随与圆心的距离而变化，因此，涡流噪声的频率是连续的，噪声的频谱也是连续的。涡流噪声一般是宽频带噪声，其主要峰值频率为：
ｆ＝ＫＶ／ｄ（Ｈｚ）
式中：Ｋ——常数；０．１５～０．２２
Ｖ——风扇圆周线速度，（ｍ／ｓ）；
ｄ——叶片在气流入射方向上的厚度（ｍ）。
影响风扇噪声的因素主要有以下几方面：
①风扇转速、直径、静压
研究表明，风扇的风量越大，其噪声也就越高，风扇直径的大小、转速的高低直接影响风扇噪声。三者有以下关系式表示：
Ｌ∞ＤＮ
式中：Ｌ——噪声声压级；
Ｄ——风扇直径；
Ｎ——风扇转速。
风扇直径的大小、转速的高低与风扇风量的关系：
Ｖ∞ＤＮ
式中：Ｖ——风扇风量；
Ｄ——风扇直径；
Ｎ——风扇转速。
因此，为了保证需要的风量，适当地增大直径、减小转速是适宜的。风扇风量的大小是根据内燃机的散热量来确定，从降噪的角度考虑，增强内燃机及其冷却系统的散热能力，可以减小风扇风量，降低噪声。
②风扇效率
普遍规律是，风扇效率越低，消耗功率越大，风扇噪声越大。
风扇消耗之功率为：Ｎ＝ｐＶ／ηηηｖ
式中：Ｖ——风扇风量；
η——风扇的液力效率；
η——风扇的机械效率；
η——风扇的容积效率；
由式可见，如果风扇的总效率提高，则同样风量时风扇消耗功率越小，噪声亦随之减小。通常变化不大，只要提高风扇的液力效率和容积效率，实际上都有利于降低噪声。
③风扇的叶片形状、材料、叶片数
风扇叶片的形状对风扇效率影响也很大。风扇叶片的形状直接影响叶片附近的涡流强度，从而影响风扇的效率。因此，改进叶片的形状，使之有较好的流线型和合适的弯曲角度，不仅有利于减少涡流噪声，而且可以大大提高风扇效率。
试验表明，风扇的叶片材料，对其噪声也有一定程度的影响．例如：铸铝的叶片比冲压钢板的叶片噪声小；尼龙叶片比金属的叶片噪声小。一般说来，材料的损耗系数越大，其噪声越小。
增加风扇的叶片数，在转速不变的条件下，可以增加风扇的风量。或者在获得同等风量的前提下，可以降低风扇的转速，从而降低风扇噪声。但叶片数在６以上时，增加叶片数，风量增加有限，且在降噪特性上往往有负面的作用。
低速宽叶风扇与高速窄叶风扇在相同的风量情况下，前者比后者产生的噪声声压级低４ｄＢ（Ａ），并且功率消耗要减少２７％。缩小风扇与护风圈的间隙，防止气流紊乱，可以降低风扇噪声。试验表明，当间隙为零时，风量增加２７％，而噪声下降３ｄＢ（Ａ），降低转速使风量回到原有水平，噪声又可以下降２ｄＢ（Ａ）。
④风扇、散热器、风罩的相对位置
工程机械风扇有吸风式和吹风式两种，选择的主要原则是风扇形成的空气流动方向必须与主机正向行驶时迎风空气流动方向一致。装载机发动机后置，一般采用吹风式风扇。
降低风扇噪声，也可以从风扇冷却系统的结构参数以及各部件之间的相互位置来考虑。适当选择风扇与散热器之间的距离以及风扇与风罩之间的间隙，对降低风扇噪声也是有意义的。随着风扇与散热器之间的距离的增加，风扇的冷却能力、流量和噪声都要增加。而且各自在某一点达到最大值，然后又逐渐减小。试验表明，风扇端面离散热器芯子过近或过远，会出现无风区或发生回流现象。推荐风扇端面距离散热器芯子的距离为风扇直径的１０％－１５％，这样既能充分发挥风扇的冷却能力，又可以使噪声最小。
风扇前后的导风罩是产生涡流噪声的重要来源之一，风扇入口处应呈流线型，风扇与导风罩组成的气流通道表面应光滑，以改善冷却风的流动状态，从而降低冷却系统的噪声。风扇与导风罩之间要有适当的间隙，径向间隙一般应控制在２．５％风扇直径内，最大不宜超过３％，否则将大大降低风扇效率。通常风扇和导风罩的前后关系应是：吸风风扇有２／３风扇投影宽度在导风罩内，吹风式风扇在导风罩内的宽度以１／３风扇叶片宽度为宜。
液压驱动独立散热系统可以根据载荷的需要改变风扇转速，减少功率消耗，它也使得周围噪音水平降低，更符合环保要求，可以方便整机辐射噪声的控制。卡特、沃尔沃、小松、现代等生产的新型装载机已采用独立散热系统。
采用温控离合器风扇或电控风扇都可减少风扇噪音。目前，通过电子控制的液压控制风扇也可很好地减轻风扇噪音，这种变速风扇专为减少风扇噪音而设计，风扇的控制器获得发动机转速和冷却温度数据以及其它信号。用以控制液压泵高压端的电磁阀，调节供给液压马达的液流量，从而改变风扇转速。由于装载机工作环境恶劣，冷却系统能力要求高，风扇负荷加大，风扇噪声相对汽车变得更加严重，在整机噪声中的贡献相对更大。
在轮式装载机各个系统的匹配和设计当中，协同考虑以上几个方面的影响因素，就可以在保证系统冷却能力的前提下，获得最小的风扇噪声。
参考文献
〖０１〗赵玫，周海亭等：《机械振动与噪声学》科学出版社２００４．９
〖０２〗潘仲麟：《噪声控制技术》化学工业出版社２００６
〖０３〗张志华，周松，黎苏：《内燃机排放与噪声控制》哈尔滨工业大学出版社１９９９
〖０４〗赵玫，陈光冶：《振动与声学问题的计算》上海交通大学振动冲击噪声国家重点实验室１９９９年３月
〖０５〗靳晓雄，胡子谷：《工程机械噪声控制学》同济大学出版社，１９９７的贡献相对更大。
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