6.1 减小各种噪音

截至第5章,我已经介绍了实现汽车“行驶”、“转向”和“停车”三大要素的装置。这三大要素对汽车来说十分重要,但实际上,乘坐汽车时舒适性也扮演着相当重要的角色。如果一辆汽车的乘坐舒适度很低、噪声很大,那么无论它能多么完美地行驶、转向和停车,也不会受到欢迎。NVH(Noise Vibration Harshness:噪音/振动/声振粗糙)决定了汽车的舒适性,因此接下来我将讲解产生NVH的原因以及如何减小NVH。首先来说说噪声。

汽车上处处都有噪声。发动机、动力传动系、悬架、轮胎和制动器等装置都会产生噪音(表6.1)。

表6.1 汽车的主要噪声源及其对策

噪声源 噪声的内容 对策
发动机 将空气吸入汽缸时的进气音 利用空气净化器阻碍一部分空气的流动,抑制噪声
在凸轮轴和曲轴的连接部分使用金属链时的撞击声 使用在链条内侧薄薄地覆盖着橡胶和树脂的“无声链”
发动机内燃烧的声音 发动机内燃烧的声音用叫做“汽缸体”的金属主体部分包住汽缸吸收噪声。柴油发动机通过分数次进行燃喷射来减小噪声
废气的排出声 用消声器吸收
轮胎 轮胎的触地声 减小轮胎触地面上花纹块的面积,错开触地时间
密闭在轮胎花纹沟里的空气产生的噪声 留出一部分防止空气逃离的花纹沟
轮胎中的空气振动时发出的声音 在轮胎内侧缠绕上海绵状的带子,使空气的振动难以传递到轮胎表面
制动器 制动器的制动盘和制动垫之间的摩擦声 使用更柔软的制动垫
车身 汽车行驶时会形成空气的旋涡,产生风噪 减小空气阻力,去除车门和车窗的接缝和级差
动力传动系 动力传动系中齿轮的啮合声 用润滑油使齿轮平滑地啮合
悬架 悬架上弹簧和底座的接触声 在金属间的接触部分加入树脂
汽车整体 汽车外部的全部噪声 在汽车底盘上方铺上毛毡等隔音材料,用树脂等材料给汽车做表面涂层

其中,乘客感受最大的是来自发动机的噪声。在发动机内,挥发性很高的汽油被压缩并点燃。其燃烧就像爆炸一样迅速,且会发出很大的声音。同时还会混杂着排气的声音和发动机转动的有规律的声音传到乘客耳朵里。发动机排出的废气经过消音器进入空气中,噪音得到了很好的抑制。但行驶中的汽车仍会发出“呜呜”的排气声,且发动机转速越快,排气声越大。

轮胎也是噪声源。与人们的脚步声一样,轮胎触地时也会发出声音,但不是像脚步声一样“吧嗒吧嗒”的声音。轮胎在转动时会发出“沙沙”或“咕咕”的噪音。

制动器、制动垫和制动盘在相互摩擦时会产生“咳咳”的刺激性的摩擦音。但由于开发使用了很难产生摩擦音的制动垫,所以只要损耗不是特别严重就不太听得到噪音。

除此之外人们比较介意的噪声还有风噪,加速时能听到“嗖嗖”或“呼呼”的声音。

虽然不是很大,但动力传动系和悬架也会产生噪声。动力传动系是利用齿轮组合传递发动机旋转力的系统。在边组合齿轮边转动时,金属锯齿间的接触会发出“咔嚓咔嚓”的声音,高速旋转时会变成“咯咯”或“吼吼”的连续的声音。

悬架上的弹簧伸缩时会发出“咯吱咯吱”的声音,类似于床或沙发垫的嘎吱声。负责平息弹簧振动的减震器中的活塞也会发出“嗖嗖”的声音。

汽车各个部分产生的噪声不仅会给乘客带来不快,还会影响沿途的居住环境。因此汽车生产商们都在致力于减小噪声。接下来我将依照发动机、轮胎、制动器、风噪、动力传动系和悬架这样噪声由大到小的顺序,讲解汽车为减小噪声所做的努力。

追随发动机的运转顺序来确定噪音出处,首先会听到发动机的气缸吸入空气时产生的”嗖嗖“的声音,我们称之为进气声。空气经过狭窄的吸气管进入发动机的气缸中时会产生噪声。

进气声的减小由空气净化器负责。空气净化器安装在空气吸入口附近,用于防止进入发动机的空气中掺杂尘土和灰烬。它由类似于滤纸的孔隙较大的纸和海绵制成,在空气进入发动机中的气缸之前,负责去除空气中的污垢并吸收噪声。空气净化器与吸收排气声的消音器作用相同,都是通过暂时阻止空气的流动来减弱噪音的,类似于发出“呼呼”吼叫声的大风穿过树林时会变成“沙沙”的轻风般的感觉。

进气后曲轴和凸轮轴开始转动。在第2章中我讲过,传动带传递发动机曲轴的旋转,带动凸轮轴,从而开闭进排气阀,不知您还记不记得。传动带中使用了橡胶和金属链,但金属链的噪声很大。使用链条的普通自行车噪声也要大于使用传动带的自行车。

那为什么还要用噪音很大的金属链呢?这是因为比起由橡胶和纤维制成的传动带,金属链更加牢固、不易断。特别是在马力较大的发动机中多使用金属链。因此既然使用了金属链,就要忍耐一些噪声。

但是如果在链条的内侧覆盖上一层薄薄的橡胶和树脂,就能减小噪声。我们把这种链条称为无声链,但它既费工夫又费财力。由于搭载大马力发动机的都是高级汽车和跑车,因此售价都比较高,也就可以做这项工作。

比赛用的发动机采用的既不是金属链也不是橡胶传动带,而是齿轮组合。比赛用的发动机不仅马力大,转速也是小型汽车的2倍或2倍以上。虽说是金属链,但当发动机转速过高时金属链可能会伸长或断裂。因此比赛用发动机选择的是更值得信赖的齿轮组合。使用齿轮会增大噪声,但在比赛用车中,比起舒适性更看重的是在比赛中胜出。由于比赛用发动机的排气声也未经消音*1,所以一般不会注意到齿轮啮合的噪声。

*1近年来为了改善噪声对赛车场周围地区的影响,也实施了一定程度的消音措施。即便如此,比赛用车的排气声也远远大于小型汽车。

包裹在气缸外围的被称为气缸体的金属部分可以在一定程度上吸收发动机内因汽油燃烧产生的燃烧声。这是因为燃烧是在气缸内侧进行的,就像在室内说话时室外很难听到一样。

最后还有发动机排出的废气产生的噪音,我们耳朵能听到的噪音几乎都是废气的声音。为了减小废气的噪音,汽车安装了我在第2章中介绍的消音器。消音器内部是像迷宫一样的隔断,废气在绕迷宫的过程中势力逐渐减弱,噪音随之变小。

使用轻油作为燃料的柴油发动机会产生更大的燃烧声,这是因为其下压活塞的力比汽油发动机强(因为其压缩比要高2倍)。柴油特有的“嘎啦嘎啦”声就是因为其燃烧的强度而发出的声音。

最近,小型汽车上的柴油发动机为了避免一次产生很大的力,采用了在一次燃烧中将燃料分几次喷射到气缸中的方法。这样一来,噪音和振动都得到了控制。因此即使是搭载了柴油发动机的小型汽车,其舒适度也高于以往。

橡胶轮胎也会产生噪音。橡胶柔软、有弹力,即使叩击也不会发出声音,但用橡胶底的帆布鞋叩击地面时就会发出声音。慢跑时我们会听到“啪嗒啪嗒”的脚步声。走路时没有声音的帆布鞋,也会在慢跑时发出声音。汽车的轮胎也是如此,低速行驶时几乎没有声音,而随着速度的提高就会发出声音。

轮胎的噪声是由轮胎触地面上矩形的块和沟引起的。顺便说一下,在晴天使用的赛车专用的光头轮胎(Slick Tire,在英语中是光滑的轮胎的意思)上没有花纹沟,因此噪声也小。

轮胎转动时,轮胎上的块会叩击地面。如果您觉得转动中的轮胎叩击路面有些难以想象,您可以看一下图6.1。图中的曲线叫做摆线,用于表示轮胎外圈上的某一点是如何随轮胎的转动发生变化的。看一下摆线您就能明白轮胎上的点是如何从上方叩击路面的了。也就是说,轮胎也是靠强烈叩击路面来与地面接触的。这样一来,您就能理解轮胎为何发出声音了吧。

轮胎的摆线

图6.1 轮胎的摆线
※观察轮胎上的某一个点,画出其强烈叩击路面的曲线。

并且在轮胎外圈的触地面上,还并排着因花纹沟鼓起的各式各样的橡胶块(照片6.1)。在讲摆线时所说的轮胎外圈的某一点,就在橡胶块上。您可以想象一下橡胶块与路面相接触,即叩击路面的情景。

轮胎的沟纹

照片6.1 轮胎的沟纹
※照片由普利司通1提供

1 BRIDGESTONE,世界最大的轮胎及橡胶产品生产商,也是世界轮胎业三巨头之一。——译者注

由于橡胶块是并排成一排的,叩击的时间相同,产生的噪音也会很大。因此,错开橡胶块的位置,使其触地时间变得不同,就能起到减小噪音的作用(图6.2)。

几种轮胎的沟纹

图6.2 几种轮胎的沟纹
※轮胎表面的沟纹不同,支撑力和噪音就会不同。在实际决定轮胎沟纹的过程中,要考虑到这些因素。

并且橡胶块越大,产生的噪音就越大。就像用手掌敲击大鼓时鼓声较大,而用指头敲击时鼓声就很小一样。也就是说,为了减小轮胎的噪音,可以减小轮胎触地面上橡胶块的面积,同时错开它们之间的位置。

而且如果将橡胶块改成尖头的、朝向轮胎前进方向的菱形,就能进一步减小噪音。这是因为最先与路面接触的是菱形凸出一端的面积较小的部分,因而能够起到抑制噪音的作用。

我们把轮胎触地面上的橡胶块称为花纹块,将花纹块的形式称为沟纹(图6.2)。改变沟纹能够减小噪音。公认的较为安静的轮胎沟纹(照片6.1)多采用小小的尖头的花纹块。

但有的轮胎的沟纹花纹块比较大。这是为什么呢?

是为了增大抓地力。小的花纹块支撑力也小,就像脚大的人比脚小的人站得稳一样。

当搭载着大马力发动机的汽车猛然加速时,以及当跑车等底盘低的汽车突然转向时,轮胎必须能够抵抗强大的加速力和离心力。这时就要用到花纹块较大的轮胎了。在这种情况下就需要忍受一些噪音,优先增加轮胎的抓地力了。

但是最近,有的高级小客车也具备了像跑车一样能够快速行驶的性能。安全地快速行驶需要花纹块较大的轮胎,但高级汽车又不允许轮胎的噪音过大。因此,如何制造出抓地力大但噪音小的轮胎,就成为了轮胎生产商们的竞争焦点。

除了轮胎上的花纹块,轮胎接地面上的花纹沟也会对噪音产生影响。轮胎上的花纹沟也会引起噪声。

轮胎上花纹沟的作用是在雨天轮胎与地面接触时,将积存在路面上的雨水排出轮胎的触地面,这样才能使轮胎表面紧贴路面。当轮胎与路面接触时,轮胎表面的花纹沟就会被路面覆盖,形成管道。管道中充满了空气,从中排出时会发出声音。

把旋涡状的贝壳贴近耳朵时,会听到沙沙的声音。即使不向里面吹气,也会听到像吹笛子一样的声音。同样的事情也会发生在路面与轮胎之间的管道中,密闭在管道内的空气逃出管道时会发出声音。

比赛用的光头轮胎没有花纹沟,也就不会产生很大的噪音。这样看来,花纹沟也与轮胎的噪音有关。当然了,比赛用轮胎分为晴天用的和雨天用的,但普通的小型汽车晴天雨天共用一组轮胎,因此轮胎触地面上的花纹沟是必不可少的。轮胎生产商们的工作,就是让轮胎具备能够充分排出雨水的花纹沟的同时不产生噪声。

这样开发出来的轮胎比较“安静”,而实现这一目标的方法是留出不让空气外逃的、终点性质的花纹沟。空气不外逃也就能降低噪声了。但如果把所有的花纹沟都设计成终点式的,排水功能就会减弱。这个度的把握就全仰仗轮胎制造商们的技术水平啦。

除此之外还有轮胎引起的噪声音。轮胎中充满了受压的空气,无论是橡胶的柔软和弹力,还是受压的空气,都能帮助轮胎吸收因路面引起的振动,缓和冲击。但密闭的空气会增大噪声。

还是以大鼓为例。仅敲击大鼓的鼓皮时,大鼓只会发出很小的砰砰声。但当两侧的鼓皮膨起,中间充满了空气时,空气会使鼓皮的振动强度增加,发出很大的咚咚声。与此同理,轮胎的噪声也会因轮胎内的空气而增大。

为了减小噪声,有的轮胎在轮胎内侧缠绕上了海绵状的带子。用手下压并敲击大鼓的鼓皮时,空气的振动很难传递到大鼓的表面,音色也就会变得不强烈了。同样,缠绕上海绵状的带子就会使得轮胎内的空气振动很难传到表面。

这样看来,即使是同一个轮胎也会产生各种不同的噪音。只有一一探明这些现象并采取合适的对策,才能生产出行驶性能强且舒适度高的轮胎。

制动器也会产生噪声。制动器利用制动垫压紧制动盘,产生摩擦,降低速度。制动盘和制动垫都是由金属制成的,压紧时会产生噪声。

以前制动垫使用的是摩擦较大的石棉。但当人们发现石棉的危害性后,便开始寻找其他摩擦材料。因此出现了将细腻的金属固定起来制成的制动垫。

在现在的制动器中,金属之间会相互接触,这当然会产生噪声,是类似于指甲划过玻璃时“呲呲”的刺耳的声音。我们将这种声音表述为“制动器在鸣叫”,是一种谁都不想听到的声音。因此,当把制动垫的金属制成垫子形状时,就能比较柔软地固定下来,也就很难产生噪音了。

但有的欧洲汽车会产生很大的制动声。与日本汽车相比,欧洲汽车无论是在普通道路上还是在高速公路上,都是高速行驶。因此就要求制动器能在短距离内使汽车安全停止,即使在高速行驶时也是如此。柔软的制动垫会增加停车前的距离,因此需要使用比较坚硬的制动垫。尤其是搭载了大马力发动机的高性能欧洲汽车,其制动器更容易产生噪声。

如果您突然听到很大的声音,那是因汽车车身而引起的风噪。我们时常忽略地球上存在着空气,汽车行驶时空气会形成旋涡引起风,从而产生风噪。

既然地球上有空气,风噪就不会消失。虽说如此,但也有减小这种噪音的方法,即抑制空气的流动形成旋涡(图6.3)。空气的旋涡既是噪声源,又会成为妨碍汽车行驶的空气阻力。抑制空气形成旋涡,不仅能够减小噪声,还能提高汽车的行驶速度,可谓是一石二鸟。

汽车的形状与空气流动的关系

图6.3 汽车的形状与空气流动的关系
※汽车越接近流线型,空气流动越不会被打乱,风噪也越小。

为了防止空气形成旋涡,汽车生产商们开始在汽车的形状上做文章。流线型不会扰乱空气流动,因此汽车越接近流线型越难形成旋涡,也就越能抑制风噪。

但如果不是挑战速度纪录的汽车和比赛用车,设计成流线型是很困难的。因为如果接近流线型,人们的乘坐空间和货物的堆放空间都会受到限制。如果把汽车设计成乘坐空间大、货物堆积空间大的形状,就会接近四边形,空气阻力变大,风噪也会变大。既要接近流线型,又要给人和货物留出足够的空间,实在是很困难。即使不完全设计成流线型,而只是将车身调整圆滑,也有减小空气阻力和风噪的效果。

除了将汽车设计成不打乱空气流动的圆滑形状,去除车门和车窗的接缝也有类似的效果。我们把去除车门和车窗的接缝级差称为平整表面(flush surface)。flush的意思是“迅速流动”,即表示空气快速流动。surface是指“表面”,所以这个词的意思就是空气迅速流过平滑的车体表面。

虽说如此,但玻璃窗和支撑它的窗框之间无论如何都会有级差。如何使其变得平滑,就要看汽车生产商们的本事了。最近很多汽车都采用了平整表面的技术,将车体表面设计得很平滑。这样看来,即使是我们平时不怎么在意的车窗,也包含了这项技术。

风噪还来自于用于确认后方情况的后视镜。从车身两侧凸出的后视镜,的确是阻碍空气流动的障碍物。虽说如此,但因为驾驶员需要确认后方的情况,所以后视镜必不可少。

因此汽车生产商们为了尽量不扰乱空气流,就在后视镜外围加了一层圆滑的覆盖物。如果覆盖物的形状不理想,汽车在高速公路上加速时,覆盖物就会产生“嗖嗖”的风噪。

负责将发动机的旋转力传递到轮胎的动力传动系也会产生噪音,包括啮合的齿轮转动时的声音以及变速器变速时的声音。

不仅是变速器,两个齿轮转动时也会产生“呜呜”的噪声,这是因为齿轮在不断啮合锯齿,又在不断推开锯齿。由于齿轮是以微米的精度进行啮合的,所以通常不会产生想象中的“嘎吱嘎吱”的声音。

这种齿轮啮合的声音无法完全消除,充其量只能是借助润滑油使其平滑地啮合。不使用润滑油时,齿轮啮合的部分就会产生摩擦热,可能导致齿轮燃烧。

在变速器(主要是手动变速器)的变速过程中,切换齿轮组合时有时会发出“嘎吱嘎吱”的声音。自动变速器使用了行星齿轮,每个齿轮都是固定的,加速过程中只需决定让哪个齿轮转动就可以了。因此比起需要切换齿轮组合本身的手动变速器,自动变速器变速时产生的噪声就很少。

在手动变速器中,通常是边用同步啮合装置使齿轮转速相同,边切换齿轮组合,因此几乎听不到声音。但有的汽车,例如像日产GT-R这样的高性能汽车,就不愿消除变速的声音。因为生产商认为,机械性的启动声正是跑车和GT车的魅力之一,因此他们保留了变速时“嘎吱嘎吱”的操作声,故意让驾驶员听到声音。

这样看来,对发动机排气声的好恶因人而异。有的人觉得是噪声,相反有的人觉得是强劲的、让人感觉良好的声音。因此,即使消除了汽车产生的全部噪音也未必会皆大欢喜。

悬架产生的噪声来自于弹簧和减震器。弹簧随着汽车的上下振动从底座弹起,恢复原状时就会与金属接触,产生“嘎吱嘎吱”的声音。减震器中的活塞上下运动时也会产生“嗖嗖”的声音。

如果在金属间的接触部分加入树脂,就能在一定程度上减小弹簧产生的噪音。除此之外,还可以充分增加弹簧的长度以防止其上浮,或者是在弹簧与底座的接触部分安上别扣。

虽说如此,但不在弹簧和底座之间加入多余的零件更能使得悬架充分发挥其作用。并且由于汽油动力车中其他的噪声很大,因此即使悬架的弹簧和减震器会产生噪声,驾驶员也几乎是听不到的。

汽车各个部分的零件都在运转,因此无法完全避免振动和噪音。换个角度来想,我们可以让乘车人听不到噪音。实际上,为了使乘车人听不到噪音,汽车的底盘上方铺了隔音材料。隔音材料的材质是毛毡,日语中称之为无纺布,是将纤维压制成薄薄的板状铺在里面的。

车身的底盘下方是用树脂进行的表面处理(表面涂层),主要目的是防止由轮胎弹起的石子碰到底盘损伤涂漆,因为损伤后涂漆上就会生锈。这样的表面处理还可以隔音。即使是在经过铺砌的路面上,汽车行驶时也会弹起石子,石子直接接触铁板会产生噪音。但如果用树脂覆盖了底盘,噪音就会减小,从而起到隔音的作用。

安静的电动汽车

电动汽车由电机驱动,不使用产生很大噪音的发动机,是一种噪音极小的汽车。即使在行驶也非常安静,甚至注意不到它在靠近。但正是因为电动汽车很安静,其噪音才会格外惹人注目。

风噪就是其中之一。在汽油动力车中,即使是噪音很小的高级汽车也会产生排气声。排气声的存在使得驾驶员很难注意到风噪。但电动汽车没有排气声,也就更能感知风噪的存在。

除此之外,在电动汽车中还要注意的一个噪音是轮胎行驶时的声音,因此电动汽车需要噪音更小的轮胎。悬架随路面的凹凸上下运动时,弹簧和振动器也会产生噪音。在汽油动力车中噪音纷繁复杂,所以很难注意到这些噪音,但在电动汽车中就不同了。因此有必要在电动汽车的悬架安装方式上下些工夫。并且,在充分利用隔音材料防止噪音进入驾驶室方面,也要比汽油动力车多做些努力。

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