大家好，上篇（一）更新於2016年9月，正如我在上篇文末的FLAG所立，一個月過去了，我們來到了2017年8月。既然拖延症沒治了，那就發一篇有誠意的專欄以表歉意。

過去的近一年中我經歷了數個方向以及數個軟體的從入門到放棄，又在一輪又一輪的OEM對我的十動然拒後，還是決定把未來可預見的幾年的重點重新放回汽車聲學上（我也不想）。

我還是會盡量用通俗的語言，讓有一點數學知識和相關工程基礎的工友們無障礙地對由發動機和變速箱主動發出的噪聲有淺顯的瞭解。我對本文所有的內容有最終解釋權，如果朋友你看得起我想轉去其他寶地，請聯絡我和我手裡用來做TPA的小錘錘。

歡迎所有指正和質疑。Let‘s drive ：D

1.

3F

首先我們來講點廢話，引入一個叫『3F』的概念。如果你有耐心等完本專欄或許可能的該系列更新，那麼之後就會多次出現這個讓人又恨又愛不起來的概念，它就是：

不好意思，發錯圖了，應該是它才對：

『3F』是在歐洲比較常見的研究汽車的一種方法： Fahrer （駕駛員），Fahrzeug （車輛），Fahrumgebung （駕駛環境）。通俗地來說駕駛員操作以及駕駛環境引數作為輸入，把車輛表現作為系統輸出來研究汽車問題的方法就是這個3F大法了。

之所以想提一提3F，是想除了使用SIMULINK模型之外幫助大家建立一個系統的輸入和輸出的概念，方便理解本篇中頻繁出現的『激勵』和『響應』。

有因才有果，不難理解，有激勵才會產生響應。如果將換擋、油門和剎車踏板的踩踏深度、方向盤階躍等駕駛員的動作抽象為激勵，那產生的響應就是發動機轉速的變化、車輛轉向特性的變化以及汽車聲學表現上的變化。

2.

動力總成NVH

本篇並不會講諸如Stuckern， Ruckeln， Bonaza-Effekt等在中文裡暫時沒有貼切對應翻譯的動力總成NVH現象，因為說轟轟聲、隆隆聲實在是太二了…容我做好心理準備在下一篇再詳細說吧…如果有下一篇的話。

拆開來還是有不少東西可以說的。

2.1

發動機NVH

如果工友你碰巧閱讀過我對發動機空氣噪聲的這個回答：

https：//www。

zhihu。com/question/3340

4108/answer/60026437

你或許對這張照片不陌生：

圖中所謂發動機的

激勵

具體指什麼呢（現在看來這篇文章的坑在那個時候好像就挖好了嗷嗷待填…）？發動機的振動又究竟從哪兒來呢？

如果把發動機的振動當做一種響應，那麼它的激勵直接來自於由於曲軸轉動。打個不恰當的比方，如果你強壯如著名哲學家比利♂海靈頓：

將雙手放在旋轉狀態下的下圖中的單缸曲軸兩端，除了曲軸重力外你將感受到的就是通常狀況下，裝配該曲軸的曲軸箱必須承受的力。

隨著曲軸轉速的上升，你的左右手會越發地不聽使喚無法持平，不是因為你正受到王♂之鞭撻，而是由於曲軸的轉動產生了慣性力，它就是發動機振動的罪魁禍首。

而在實際情況中，哪怕是在平順性最辣雞的拖拉機裡也不會出現是這樣的低階設計錯誤。為了抵消這部分由於質量分配不均衡性所產生的質量力，都會在設計伊始在活塞連桿的另一端的兩側都加上平衡質量塊，像是這樣：

如果你還願意相信我一次，再把手放在轉動中的該曲軸兩端，神奇地發現，咦，震動消失了，也就是說質量力不見了。

然而

胖友們，在實際的單缸曲軸中也並不會僅僅如上圖展示加上平衡質量塊這樣簡單。前方您的好友連桿 （Pleuelstange） 和活塞 （Kolben） 即將上線：

這會兒看起來是不是就像回事了？ 但加上曲臂連桿以後運動情況又變複雜了。根據這個曲臂連桿+活塞+曲軸的運動特性，通常情況下我們會將該機構的質量分成兩部分：

1） 轉動質量， 這部分質量很好理解， 產生的慣性力只要透過上文提到的質量塊去平衡就可以了；

2） 震盪質量， 一般把它定義為 活塞質量+一半的連桿質量。恕我表達能力有限，這部分質量所產生的慣性力透過言語描述實在是太晦澀，所以為了解釋清這個問題，竊以為甩個數學公式是非常必要的，看不下去的胖友大可略過。

根據經常蓋不住棺材板的牛頓老爺第二定律：

F=m·a

（1。1）

震盪慣性力的公式為：

其中

是震盪質量近似的加速度 （解釋： 因為比較常見的乘用車使用的是

四缸機

，而4個衝程完成一個迴圈的曲軸旋轉了720度，也就是說在2圈裡分別有4個氣缸進行了點火操作，因此把發動機階次定義為

2階

，這也就是4缸機的主階次，因此在（1。2）式中我們僅關注到泰勒展開式的二階為止）；

r： 曲軸半徑，即半個活塞升程；

ω： 曲軸轉速；

： r/l

把 （1。2）式中的方括號［ ］展開，即可得到兩項，綠色為一階慣性力，黃色為二階慣性力。

作為一個曾經多次系統地學習MATLAB從入門到放棄的搬磚工人，我還是戰戰兢兢地打開了這個在別人手裡什麼都能做在我手裡只能用來出圖的軟體，plot（曲軸轉角， F/Fmax）後得到下圖：

由於一缸發動機由震盪質量產生的慣性力是不可能是完全抵消的，專業購車就建議你不要掏錢買拖拉機了，加個氣缸就可以升級電動車的兩缸増程器是不是很划算？（誤）

直列兩槓機在兩個運動方向相反的活塞的共同作用下，自身就抵消了由震盪質量所產生的一階慣性力。但仍然由於相對於曲軸對稱抽的不對稱活塞運動，仍會有一階的慣性力矩產生。

讀到這裡部分朋友或許不能理解，什麼叫『相對於曲軸對稱軸的不對稱活塞運動』？這特麼跟我知道的不一樣啊，說不定有朋友的內心活動是：作者一定沒有好好學過內燃機原理也不懂機械設計就出來xjb忽悠被我慧眼如炬發現了吧~

確實在大家的印象裡，一般的直列兩槓機的兩個活塞會在同一時刻分別到達上止點和下止點。

沒錯就是這個樣子的233（摸頭），然而在兩個活塞同時到達上下質點的時刻開始計算，位於

上止點的活塞

向下止點運動的速率

一定比

位於

下止點的活塞

向上運動的速率更

快

的。如果不能理解的話請配合下圖觀看：

左右兩圖分別為曲軸0°和45°時兩個活塞的相對位置，明顯可以觀察到在最簡單的符合機械設計基礎的二缸發動機情況下，兩活塞的運動特徵是符合我的描述的。再不信？那隨便你，總之我就真沒辦法了…

簡單粗暴而言之：活塞往復運動中產生的微小速度差導致了不對稱的活塞運動，引起了所謂的慣性力矩。我當然不喜歡這個1階慣性力矩了咯，那怎麼辦？那就再懟兩個缸上去試試看。

『一階慣性力！沒有啦~

一階慣性力矩！沒有啦~

二階慣性力……出現了= =』

但是讀到這裡，相信大部分朋友都理解為什麼直列四缸機這樣的普遍了，由於沒有了1階慣性力和1階、2階慣性力矩，使得其相對於單缸和兩缸發動機的平順表現和主觀感受上都優秀太多。而一般而言，對直列氣缸發動機來說，每加上一個氣缸數，由活塞所激勵的發動機震動就會越來越小，到直列6缸為止再也沒有任何的1階和2階的慣性力和慣性力矩，因為它的主階次是3階，而越高階次的慣性力在整個慣性力中所佔的比重也越來越小。我想這或多或少也可以從一個側面解釋，同品牌的內燃機車，為什麼缸數越多售價越高吧。

本文的重點並不是發動機的氣缸排布，因此我也就此打住，不展開討論V列和水平對置氣缸的Boxer發動機的振動表現。

2.2

變速箱

我的數篇回答和專欄中都不曾出現過和變速箱相關的話題，實在是因為相對於發動機來說，它不是我主要的研究方向。但是過去近一年當中個人的學習重點因為一篇關於變速箱建模和換擋模擬的論文產生了不小的變化，導致我幾乎每天都生活在它的陰影下…先感謝一下老闆不再繼續加任務之恩。好在現在都結束了，回頭想想覺得除了學了很多從入門到放棄的技能之外還特麼落了一身聽變速箱色變的毛病……越學越覺得自己瞭解的只是皮毛，在這裡就簡單地分享一些我粗淺的對變速箱聲學問題的認識。

由變速箱本身產生的聲學問題主要分為：

齒輪敲擊噪聲（Getrieberasseln， Eng。： Gear Rattle）

嘯叫噪聲（Getriebeheulen/Pfeilen/Singen： Gear Whine）。

2.2.1 齒輪敲擊噪聲

如果對敲擊噪聲沒有直觀的認識，可以點開下面的影片，但由於原po直接把變速箱殼體給撬開進行了影片的錄製，聲音實在是有點辣耳朵，還是儘量調小聲音吧。

https：//www。zhihu。com/video/882461449644015616

因為在空轉齒輪（被動輪）和激勵輪（主動輪）之間存在間隙，所以在齧合時會在空轉齒輪的間隙上產生一定程度的齧合誤差。這種衝擊而在齒間間隙裡產生很大的加速度，因此引起了空轉齒輪、同步器之間產生不規則的敲擊噪聲。

敲擊噪聲主要會以空氣噪聲的形式直接傳遞到變速箱殼體上，其次會以結構噪聲的形式從懸架等位置輻射出來。

如下圖所示，以一個六檔變速箱為例，由於在空轉時空轉齒輪的個數最多，所以在該情況下敲擊噪聲最為明顯。

透過在臺架上測得的變速箱敲擊噪聲，對它簡單地進行一次

快速傅立葉變換

（FFT） 後，我們不難發現這類噪聲特麼是寬頻的…所以在頻域裡進行分析是不太合適的，仍然迴歸到時域中分析收集到的訊號。

在時域中，振幅相對較大的兩處所間隔的時間居然和發動機每次點火的間隔一致…意思是每次點火對敲擊噪聲的激勵是效果最顯著的。

等一下，每次點火……次點火……點火……火……對，細心的朋友發現這個概念和前文提到的

發動機階次

實際上是一回事兒。所以刨根究底

都是標定的鍋

，哦不對，各位標定工友們對不起，敲擊噪聲仍然是

曲軸所激勵的週期性不對稱運動

的鍋（你敢信…我自己都有點不信）。

2.2.2 嘯叫

開爛車絕對不會讓人睡著，因為在加速時最容易被乘客和駕駛員察覺到的就是嘯叫了。這部分嘯叫可能來源於渦輪增壓器，但主要來源還是變速箱中齒輪的交變齧合剛度。詳細解釋請見下圖。

以一對直齒輪的齧合為例，存在僅單組齒齧合和兩組齒齧合交替出現的工況。由於有限的加工精度和齒輪壓力角、齒型等齒輪幾何引數因素，在齧合齒之間摩擦發出了高頻噪聲。它主要以空氣噪聲的形式穿過承載齒輪和變速箱殼體被人耳所捕捉。由於聲音特性非常的尖銳，會極大程度上影響半載或加速時候的整車聲品質，所以在研發階段OEM就會盡量從齒輪的設計和工藝等方面入手，把它儘量削減到駕駛員和乘客能夠接受的程度以內。

不難理解，嘯叫的頻率之所以處在高頻頻域是因為它和發動機階次/電機的轉速是正相關的。下圖為在電機周圍測得的Colormap，最密集的變速箱嘯叫頻率在該圖中集中在2000Hz以下。

介紹至此，發動機和變速箱中最普遍存在的NVH問題就介紹完畢了，下一篇我打算介紹由路面不平度激勵起的動力總成問題。如果你還有興趣繼續閱讀，也歡迎直接在評論區告訴我你感興趣的地方，但我或許也沒法解答就是了。

——————————————————純土耳其味分割線————————————————

今天就寫到這裡吧，想到了再更新，以及我再也不立『爭取在XX之內更新下一篇』的FLAG了。大家下回見~

Referenzen：

Das Getriebebuch， F。Kücükay

Skript der Vorlseung Fahrzeugakustik， IfF， TUBS

Fahrzeugakustik， M。 Pflüger

www。brucewilles。de

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