本书从汽车NVH性能开发工程师的角度出发，努力将基础理论、产品设计、工程经验和措施方案等方面紧密地融合在一起，可以供汽车NVH性能开发工程师、发动机性能集成开发工程师、汽车动力系统设计开发工程师、高等院校振动噪声方向在校学生和科研人员等的阅读参考。
3.6.1 常见的活塞敲击现象
汽车发动机在不同的运行工况下，活塞敲击的现象也是千差万别的，主要与发动机冷却液循环的温度、气缸组件的润滑情况、发动机转速和负荷等因素存在一定的关联性。常见的活塞 敲击现象有如下几种类型。
1）发动机在冷起动之后的怠速运行工况，气缸的中上部或者缸盖附近发出连续不断的“嗒嗒嗒”的金属敲击声，有时也会有清脆而有节奏的“铛铛铛”声，随着发动机运行转速的增 加，以及发动机冷却液温度和油温的升高，这种异常的敲击声会跟随发动机转速或温度的上升 而逐渐减弱，甚至消失。
2）发动机在冷起动和低温怠速的运行工况下，发动机敲击声音较小；反之，在热起动和 正常工作温度情况下，发动机敲击声却更加明显和清晰。
3）发动机在低转速或者大负荷输出的稳态运行工况下，发动机存在着敲击声，随着发动 机转速的增加和输出负荷的降低，敲击声会有所缓解和改善。
4）车辆在加速过程中或者高转速运行工况下，发动机发出较明显的敲击噪声，并且在全 负荷的急加速工况或者在重载爬坡的超负荷运行工况，发动机的敲击噪声会更加的严重。
5）通过逐缸的排查，发现发动机的某一个气缸发生异常的活塞敲击噪声之后，并将该气 缸进行“断油”或者“断火”处理，发动机的敲击异响会有所减弱或消失。
6）发动机的多个气缸都存在活塞敲击噪声或异响，加大节气门开度之后，敲击噪声跟随 发动机转速变得更加的杂乱无章。
3.6.2 活塞敲击噪声的类型
按照活塞组件敲击噪声产生机理和特征原因的不同，活塞敲击噪声可以分为三种类型， 分别是活塞头部与缸壁之间的敲击、活塞裙部与缸壁的敲击，以及活塞销与轴承座之间的敲击，见表 3-1。因此，严格地来讲，活塞敲击并不完全等同于俗称的“敲缸”现象，“敲缸”只能涵盖活塞敲击的前两种类型而已。而第三种类型的活塞销敲击，有时也被称为连杆小头的敲击。
表 3-1 不同类型的活塞敲击特征机理示意
活塞敲击类型 | 缸头敲击 | 裙部敲击 | 活塞销敲击 |
敲击激励源位置 |
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发动机运行工况 | 中低转速，低负荷 | 低转速，中低负荷 | 怠速 / 低转速，低负荷 |
曲轴角度域特征w | TDC 附近 | TDC 后 10° ~ 20° | TDC 前 20° ~ 45° 或者 TDC 附近 |
声音特征 | 铛铛铛 | 嗒嗒嗒 | 哒哒哒 |
噪声频率范围 | 2000 ~ 8000Hz | 1000 ~ 2000Hz | 1000 ~ 5000Hz |
如图 3-26 所示，对于前两种的活塞敲击类型而言，活塞在往复运动过程中缸壁承受的侧向推力 FN方向变换，以及绕活塞销的旋转运动，一般认为这两个因素是造成活塞头部或活塞裙部与气缸壁之间撞击而产生异常噪声的最主要原因。其中，活塞沿着气缸轴向的往复运动 xp通常被称为活塞的主运动形式，而活塞沿着气缸径向或横向的轻微平动 yp，以及活塞本体绕活塞销的微小转动或摆动w p，则被称为活塞的二阶运动形式。活塞的二阶运动将导致气缸壁承受周期性的冲击载荷，致使发动机缸体产生振动响应，并通过发动机表面结构的振动辐射产生噪声。同时，活塞的二阶运动还会影响到活塞与缸套之间的密封润滑效果，直接关系到发动机的摩擦功耗、耐久可靠性、动力性和燃油经济性等性能水平。因此，在特定的工况载荷条件下，考虑活塞气缸组件的热变形和弹性变形，通过曲柄连杆系统动力学模型和缸壁边界流体动力润滑模型的仿真分析，预测和优化活塞的二阶运动特征，也是活塞组件产品在发动机先期开发设计阶段的重要内容。
图 3-26 活塞主运动和二阶运动的示意图
所有类型的往复活塞式汽车发动机，都会在上止点（TDC）和下止点（BDC）位置附近发生活塞侧向力 FN的作用力方向改变。以图 3-27 为例，在曲轴顺时针方向旋转的发动机压缩行程，缸内气体作用力 Pg和往复惯性力 Fj在活塞销中心的合成力为 F∑，而合成力 F∑ 沿着连杆中心线在活塞侧向力分量 FN垂直于气缸中心线，并且 FN的作用力方向是从气缸的主推力侧（Thrust Side，TS）指向止推力侧（Anti-thrust Side, ATS）。当曲柄旋转越过上止点之后，在发动机的膨胀行程，活塞侧向力 FN的作用力方向将发生改变，从止推力侧朝向主推力侧。由于活塞与缸壁之间不可避免地存在着间隙，这种活塞侧向力 FN的周期性变化，必然会导致活塞沿着气缸径向的二阶运动 yp形式的变化，从而导致活塞持续来回地敲击气缸壁。活塞敲击作用力的强度主要取决于 yp的变化率（包括速度和加速度）、活塞与缸壁的间隙和活塞的质心惯量。
其实，由于活塞存在绕活塞销中心的摇摆转动形式wp、活塞或缸套的热变形和弹性变形， 以及活塞与缸壁之间的不同摩擦润滑条件等多种复杂因素影响，所以，活塞与缸壁的敲击现象 不仅只发生在上止点或下止点附近，还可以在发动机各个行程的任何位置上发生。只是在上止 点位置附近，发动机处于排气行程或者压缩行程的末期，尤其是在燃气爆发做功行程开始的初 期阶段，缸内气体压力 Pg通常处于最高值，活塞侧向力 FN换向的变化率也就很大，此时的活塞敲击问题就更为强烈和严重。在下止点位置，由于气缸压力较小，活塞与缸壁的温度较低且 润滑条件都较好，活塞侧向力 FN换向的变化率也就较小，活塞的敲击噪声问题一般也不明显， 可忽略不计。另外，当发动机在低速的大负荷输出工况，或者在中高转速的运行工况，活塞承 受的缸体气体作用力 Pg或往复惯性力 Fj都会明显增大，从而引起侧向力分量 FN在上止点附近换向变化率的增加，也会导致活塞与缸壁之间敲击问题的恶化。
汽车发动机的活塞与气缸壁之间通常会有 0.05 ~ 0.10mm 的间隙，对于不同类型的发动机， 这个间隙设计值也不同；并且，发动机在不同温度环境或者转速工况下，这个间隙也不同。一 般情况下，发动机在低温或冷机条件的间隙较大，热机情况的间隙较小。因此，冷起动或者低 温怠速时的活塞敲击噪声尤为突出。
3.6.4 改善活塞敲缸问题的措施方案
1）活塞销的偏置：活塞销孔的偏心设计是影响活塞二阶运动的关键参数，也是提升活塞 运动平稳性、降低发动机噪声、降低摩擦损失、减小活塞侧向力、解决缸套穴蚀与活塞拉缸等 问题的最有效方法，在汽车发动机活塞的设计优化中已被广泛地采用。当活塞销运行到上止点 附近，活塞销偏置可以很大程度地减小活塞的二阶运动幅值，减小活塞换向过程中对气缸壁的 撞击能量，使得冲击过程更加的平滑柔和。目前，在汽车发动机的活塞设计中，普遍采用的是 活塞销孔偏向主推力侧的负偏置设计方案，很少采用正偏置的方案。
2）活塞偏置量的参数设计：具体数值需要综合考虑曲柄连杆机构的结构尺寸、配缸间隙 的范围、曲轴偏置量和活塞的质心惯量等其他因素。一般而言，对于发动机中低转速运行工况 的活塞敲缸噪声问题，加大活塞销负偏置的改进效果较为明显，而对于解决高转速的活塞敲缸 问题，则通常要适当地减小偏置量。
3）曲轴销的偏置：在汽车发动机的常规设计中，曲轴偏置通常会被作为提高发动机的充 气效率和动力性的措施方法。通常，曲轴销轴线朝向气缸主推力面的偏移设计方案，有利于降 低发动机中低转速工况的活塞敲击噪声，有时也会与活塞销偏置方案同时使用。
4）活塞与缸壁的间隙：在保证活塞工作过程中不发生卡死或者缸壁刮擦的前提下，应尽 可能地减少活塞与气缸之间的间隙，以降低活塞的横向运动动能变化率，有利于降低活塞的敲 缸噪声，但可能会增加发动机的摩擦损失功。
5）活塞的质心惯量特性：活塞二阶运动过程承受的合力和合力矩直接与活塞惯量特性相 关，可以通过活塞质心位置或者质量大小的优化设计，降低活塞对气缸壁的敲击力。
6）活塞的截面轮廓形状：采用中凸型变椭圆形或者圆锥形的活塞截面轮廓优化设计，以 补偿适应不同温度环境和外部载荷激励下的活塞动态变形，尽可能地保证发动机在各种复杂运 行工况下，活塞与气缸壁之间均匀一致的间隙。
7）活塞与缸壁的润滑条件：在特定的发动机工况下，改善活塞与气缸之间的润滑条件， 提高机油压力或者油品黏度系数，能够降低活塞对气缸的敲击能量。
8）缸内燃烧压力：由于缸内气体压力曲线对活塞二阶运动有着非常显著的影响，如果能够降低缸内压力曲线的变化率，减小活塞承受的燃烧压力载荷，也能降低活塞对缸壁的敲击能量。
9）连杆长度：在保持发动机排量不变的条件下，适当地增加连杆长度，通常会有利于降 低活塞的敲缸噪声。但是，如果连杆的长度太大，会增加连杆的重量，增加活塞横向二阶运动 变化引起的冲击能量，从而增加活塞的敲缸噪声。
10）活塞的热膨胀性能：由于铝合金材料比合金钢的热膨胀系数大很多，可以在活塞销座内侧位置嵌入热膨胀系数约为铝合金材料 1/10 的低碳铁镍合金钢镶片（俗称为恒范钢或者殷瓦钢，Invar Nickel Alloy，图 3-28a），或者采用双金属的组合式活塞结构方案（图 3-28b），或者在铝合金活塞的顶部采用铁类材质的环槽结构，以及在活塞裙部增加绝热槽和膨胀槽的结构设 计方案等。以上的措施方案都能够减小发动机在特定工况下活塞裙部的热变形量，或者自动调 整不同工作温度条件下的配缸间隙，在保证活塞裙部导向作用的前提下，使得活塞与缸壁之间 始终保持合理均匀的间隙。
图 3-28 不同结构类型的热膨胀调节活塞
11）活塞环的数量：如果活塞环的数量较多，虽然可以限制活塞的二阶自由摆动，减小活塞的敲击力，但是数量增加的活塞环会导致活塞组件整体重量的增加，以及活塞与缸壁之间的 摩擦功损失增加，致使活塞与缸套之间的热态间隙相对增加，引起活塞敲缸噪声的恶化。
3.6.5 活塞销敲击的机理分析
“半浮式”的活塞销一般是在活塞销中部位置与连杆小头之间采用紧固螺栓连接，活塞销 只能在两端的活塞销座内作自由转动，而与连杆小头之间是相互固定的，没有相对运动，并且 活塞销没有轴向窜动，不需要活塞座端面的卡簧或者止动锁片。由于“半浮式”活塞销的安装 结构容易产生不均匀磨损和耐久可靠性差等原因，已经较少被采用了。
而“全浮式”活塞销则是大多数汽车发动机曲柄连杆组采用的一种安装结构形式，在发动 机的正常工作温度下，活塞销在连杆小头衬套和活塞销座孔内都能自由转动，使得各个活塞销组件能够均匀地磨损，可以提高活塞销的疲劳耐久强度。同时，为了防止“全浮式”活塞销的 轴向窜动刮伤气缸壁，在活塞销座两端一般都会安装有轴向定位功能的卡簧或挡圈等部件。
因此，对于全浮式安装形式的活塞销结构而言，活塞销与连杆小头和活塞销座都存在着配 合间隙，通常活塞销与连杆小头之间是间隙配合，而活塞销与两端的活塞销座是过渡配合。因 此，在特定的发动机运行工况下，活塞销在高温工作环境下承受周期性的载荷冲击变化过程中， 就容易在活塞销与连杆小头之间产生不确定性的撞击现象。随着车用发动机的强化程度不断增 加，缸内燃烧压力载荷和机械载荷激励都不断地增加，活塞销与周边组件的润滑油膜形成越来 越困难，这有可能会加剧活塞销组件之间的反复撞击现象，引起异常的敲击噪声问题，以及冲 击耐久和非正常磨损等问题。
3.6.6 常见的活塞销敲击现象
与活塞侧向力变换引起活塞与气缸壁之间的敲缸现象相比，大多数情况下的活塞销敲击现象是活塞销与连杆小头或者两侧活塞销座之间沿着气缸中心线方向的纵向冲击碰撞，少数情况 下也有卡簧限位超差引起活塞销轴向窜动的冲击问题发生。
活塞销敲击噪声通常是一种比较清脆而尖锐的“哒哒”声，对活塞销组件之间的润滑条件、油膜厚度、间隙形状和活塞销承受的载荷力变化等都比较敏感，且经常发生在上止点附近 或者上止点之前 20° ~ 40° 的时刻范围。比较典型的活塞销敲击现象与工况特征有以下几项。
1）怠速或者中低转速的发动机运行工况下，发动机存在清脆连贯的金属敲击声，并且在 发动机的空载状态或低负荷输出时尤为突出。
2）发动机温度对活塞销敲击现象有明显的影响，冷机工况与热机工况存在明显的差异， 有时会在冷起动过程和低温怠速工况下更加明显，有时在发动机的温度升高之后，活塞敲击噪 声反而会更加的严重。
3）活塞销敲击噪声与发动机转速相关，发动机转速变化时活塞销敲击噪声有明显的变化， 发动机转速增加之后，敲击噪声有可能减弱消失，也有可能更加严重。
4）在进行气缸的“断火”或“断油”诊断过程中，活塞销敲击噪声现象会有显著的差异， 尤其是在“复火”时刻，这种敲击噪声会更加的明显，可用于活塞销敲击问题的快速排查与诊断。
根据活塞销敲击噪声的原因机理，活塞销敲击噪声的声源位置是位于连杆小头中心附近， 但由于曲柄连杆机构始终处于动态的周期性往复运动过程，在现场的发动机噪声源排查之中很 难精确地识别判定。通常情况下，连杆小头的活塞销敲击噪声频率处于中高频范围，声音较清 脆，而连杆大头的曲柄销敲击噪声频率特性要稍低一些，声音也略微沉闷和钝重。
由于活塞销组件运动副之间配合间隙是客观存在的，在发动机的各种复杂工况下，活塞销 组件之间的相互运动关系，涉及曲柄连杆组在高速往复运动过程中的复杂弹性流体动力学特性， 这就导致在发动机 NVH 性能开发中无法完全规避活塞销的敲击噪声问题。工程上，在发动机开发的前期阶段，通常需要利用 CAE 仿真手段进行活塞销组件的动态润滑性能预测分析，重点关注活塞销轴心的动态运动轨迹，而在后期阶段，主要通过发动机台架试验和实车试验进行评 价测试与优化改进的验证。
基于活塞销敲击的原理特征，通常从控制活塞销组件的配合间隙量和间隙形状，改善活塞销运动副之间的润滑油膜特性等方面，以抑制或消除特定工况下活塞销的敲击噪声问题。
活塞销在承受较大的燃烧爆发压力或者惯性力载荷作用下会发生垂直方向的翘曲变形，尤其是活塞销与连杆小头连接的中间部位变形量最大，影响活塞销运动副之间的配合间隙。可以 通过合理设计连杆小头衬套的不同外观形线（三角形、抛物线形或超椭圆形等），补偿调整活塞销与连杆小头衬套之间在发动机复杂工况条件下的配合间隙形状，改善活塞销运动副的润滑性 能，避免润滑油膜的破裂，预防活塞销组件之间的接触撞击现象。
比如，在连杆小头的端部设计出集油孔，或者在连杆小头衬套的外表面上设计导油槽，或者制造出表面织构特征，或者采用斜切形态的连杆小头等方式，可以改善活塞销组件运动副的 供油量和润滑状态，有助于形成高质量的油膜，减小运动组件之间的磨损撞击，如图 3-30 所示。同样的，机油的温度也对活塞销运动副之间的油膜性能有密切关系，机油黏度还会影响到 活塞销运动副的机油流量供给。
图 3-30 连杆小头及衬套的润滑效果改进方案
对于柴油机在中高转速或高负荷运行工况的活塞销高频敲击噪声问题，也有改进措施在中空管状结构的活塞销内安装双侧悬臂梁形式的动态吸振器，以降低活塞销组件在 3500Hz 左右的敲击噪声，如图 3-31 所示。
图 3-31 内置式的双侧悬臂梁活塞销动态吸振器
另外，活塞销的表面热处理加工工艺关系到耐磨强度、表面形貌、表面粗糙度和硬度等性能指标，也会影响到耐久工况下活塞销组件间隙的变化，以及润滑油膜形成的质量，进而影响 到发动机耐久磨损之后的活塞销敲击噪声水平。
本书内容简介：本书重点针对发动机NVH性能开发过程中的重点机构和零部件系统分别进行了阐述，共分成8章：第1章为发动机振动激励的基本原理和理论基础部分，主要介绍了单缸和多缸发动机的振动激励分析机理。第2章则详细地阐述了发动机平衡性设计开发的概念方法和常见的衍生NVH问题。第3章从发动机噪声的分类、发动机噪声的测试评价及各种类型噪声的识别分析技术等，并提供了较全面的问题分析排查方法和工程解决措施方案。第4章详尽地阐述了各种类型的增压器噪声问题。第5章介绍了进气系统的NVH性能集成开发流程、常见的进气系统噪声问题、进气系统关键零部件的声学特性分析和进气系统的声增强技术。第6章介绍了排气系统NVH性能集成开发的要素、不同消声器类型的声学特性分析和排气系统的常见噪声问题。第7章介绍了发动机燃油系统的噪声问题。第8章介绍了常见的发动机NVH性能开发典型案例。
《汽车发动机NVH性能开发与工程实践》目录
作者简介
张军，工学博士，毕业于上海交通大学机械设计与理论专业，正高级工程师，始终坚守在振动噪声领域研究和车型产品NVH性能开发工作的第一线，擅长快速解决NVH领域的“疑难杂症”，积极开展汽车NVH技术的基础理论研究和流程体系建设，探索汽车NVH技术与智能网联技术的融合实践，积极推动中国自主品牌汽车企业的NVH开发核心技术发展与NVH专业技术人才培养，已发表学术论文140多篇申请专利40多项，兼任多所高校的研究生指导老师，兼任国内外多个学术期刊的审稿人，现为赛力斯汽车有限公司资深NVH专家。
本书由机械工业出版社出版，本文经出版方授权发布。