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面向NVH性能的汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)

2019-05-26 23:25:56·  來(lái)源：易萌森戈CAE工作室  
　
車(chē)輛的NVH是指在車(chē)輛工作條件下乘員感受到的噪聲（Noise）、振動(dòng)Vibration）和聲振粗糙度（Harshness）。NVH是衡量汽車(chē)性能的一個(gè)綜合性指標(biāo)，給汽車(chē)乘員的感受
車(chē)輛的 NVH 是指在車(chē)輛工作條件下乘員感受到的噪聲（Noise）、振動(dòng)Vibration）和聲振粗糙度（Harshness）。NVH 是衡量汽車(chē)性能的一個(gè)綜合性指標(biāo)，給汽車(chē)乘員的感受是最直接和最表面的。其中，聲振粗糙度指噪聲和振動(dòng)的品質(zhì)，是描述人體對(duì)振動(dòng)和噪聲的主觀(guān)感覺(jué)，不能直接用客觀(guān)測(cè)量方法來(lái)度量（也有學(xué)者將 Harshness 稱(chēng)為不平順性，或者沖擊性等）。 噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）是汽車(chē)設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的因素，這也使人們不斷完善汽車(chē)設(shè)計(jì)。振動(dòng)始終是與可靠性和質(zhì)量相關(guān)的重要問(wèn)題，噪聲對(duì)汽車(chē)使用者和周?chē)h(huán)境的影響也越來(lái)越重要。聲振粗糙度與振動(dòng)和噪聲的瞬態(tài)性質(zhì)密切相關(guān)，也與汽車(chē)的性能有緊密的關(guān)系。汽車(chē)振動(dòng)與噪聲的控制對(duì)設(shè)計(jì)人員提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)榕c許多機(jī)械系統(tǒng)不同，汽車(chē)有多處振動(dòng)和噪聲源，并且這些振動(dòng)和噪聲源相互作用，隨汽車(chē)的行駛速度發(fā)生變化。尤其是現(xiàn)在原材料價(jià)格不斷上升，更加重視汽車(chē)的輕量化研究，并且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更高，以降低油耗和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，這也同時(shí)會(huì)增大汽車(chē)的噪聲和振動(dòng)，對(duì)汽車(chē)工程師提出許多新問(wèn)題。噪聲和振動(dòng)問(wèn)題的解決有助于縮短新車(chē)投放市場(chǎng)的周期。隨著人們對(duì)汽車(chē)乘坐舒適性要求的提高，各國(guó)對(duì)汽車(chē)噪聲的要求越來(lái)越嚴(yán)格，改善車(chē)輛內(nèi)部聲學(xué)環(huán)境，降低車(chē)內(nèi)噪聲水平，是各國(guó)政府和汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家共同關(guān)心的問(wèn)題。車(chē)內(nèi)噪聲過(guò)大將嚴(yán)重影響汽車(chē)的乘坐舒適性、會(huì)話(huà)清晰度以及駕駛員對(duì)各種信號(hào)的識(shí)別能力。輕量化車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著高強(qiáng)度薄壁鋼板的大量使用，一個(gè)突出的問(wèn)題是可能導(dǎo)致局部振動(dòng)特性和車(chē)內(nèi)噪聲水平惡化。因此，有必要對(duì)輕量化前后車(chē)身結(jié)構(gòu)的 NVH 特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1、  汽車(chē)的 NVH 性能和 NVH 技術(shù)的發(fā)展

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率不斷提高，噪聲與振動(dòng)也隨之增加，政府法規(guī)對(duì)通過(guò)噪聲的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。表 1 表示不同時(shí)期歐盟對(duì)通過(guò)噪聲的限制要求，1970 年的 82 dB（A）到 1995 年的74 dB（A），噪聲降低了 8 dB（A）。

表1 歐盟不同時(shí)期通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)（乘用車(chē)）

在制定一輛汽車(chē)的噪聲與振動(dòng)指標(biāo)時(shí)，要考慮 4 方面的因素。第一是政府法規(guī)。目前，主要發(fā)達(dá)國(guó)家政府對(duì)于噪聲和振動(dòng)的法規(guī)是通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，通過(guò)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)是不超過(guò) 74 dB（A）；在美國(guó)，通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)是小于78 dB（A）。第二是消費(fèi)者要求。在汽車(chē)開(kāi)發(fā)之前，汽車(chē)廠(chǎng)商都會(huì)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，了解市場(chǎng)上需要什么樣的車(chē)，噪聲與振動(dòng)水平怎么樣。在汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，都是以滿(mǎn)足消費(fèi)者的需求為中心的。第三是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的車(chē)。如果確定了將要開(kāi)發(fā)的車(chē)在市場(chǎng)中的定位，就可以與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的相似車(chē)型進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析，使得新產(chǎn)品在市場(chǎng)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。第四是公司的技術(shù)能力。不同的汽車(chē)廠(chǎng)商會(huì)根據(jù)自己研發(fā)實(shí)力、設(shè)備水平以及自身產(chǎn)品的實(shí)際情況制定相應(yīng)的 NVH 設(shè)計(jì)目標(biāo)。

當(dāng)這  4  方面的要求都滿(mǎn)足時(shí)，就可以制定整車(chē)層次的噪聲與振動(dòng)目標(biāo)，包括駕駛員和乘員耳朵處的噪聲大小、轉(zhuǎn)向盤(pán)的振動(dòng)、地板的振動(dòng)以及座椅的振動(dòng)。然后將整車(chē)振動(dòng)目標(biāo)分解，首先是分解到系統(tǒng)層次，如動(dòng)力系統(tǒng)、車(chē)身系統(tǒng)等；然后繼續(xù)分解到子系統(tǒng)，如將動(dòng)力系統(tǒng)目標(biāo)分解到發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)、進(jìn)氣子系統(tǒng)、排氣子系統(tǒng)等；最后將子系統(tǒng)噪聲與振動(dòng)目標(biāo)分解到零部件，如將排氣系統(tǒng)目標(biāo)分解到消聲器的傳遞損失、掛鉤隔振器的傳遞率等。

汽車(chē)的噪聲與振動(dòng)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和汽車(chē)行駛速度有關(guān)；二是不同的噪聲振動(dòng)源有不同的頻率范圍。圖1所示為汽車(chē)噪聲振動(dòng)源與行駛速度的關(guān)系。低速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要噪聲振動(dòng)源；中速時(shí)，輪胎與路面的摩擦是主要噪聲振動(dòng)源；高速時(shí)，車(chē)身與空氣之間的摩擦變成了最主要的噪聲源。圖2 所示為噪聲振動(dòng)源與頻率的關(guān)系。低頻時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要噪聲振動(dòng)源，路面與輪胎摩擦和車(chē)身與空氣摩擦的貢獻(xiàn)隨著頻率增加而增加；中頻時(shí)，變速箱和風(fēng)激勵(lì)噪聲占主導(dǎo)成分；高頻時(shí)，主要考慮的問(wèn)題是說(shuō)話(huà)和聽(tīng)話(huà)的聲音是否清晰，即所謂的聲品質(zhì)問(wèn)題。

圖1汽車(chē)振動(dòng)噪聲與車(chē)速的關(guān)系

圖2汽車(chē)振動(dòng)噪聲與頻率的關(guān)系

2、  汽車(chē)噪聲與振動(dòng)的主要問(wèn)題

車(chē)內(nèi)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理如圖3

圖3車(chē)內(nèi)噪聲機(jī)理

圖3的聲源包括發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、底盤(pán)噪聲及氣體流動(dòng)噪聲等。這些聲源所輻射的噪聲在車(chē)身周?chē)纬梢粋€(gè)不均勻聲場(chǎng)。聲場(chǎng)中的噪聲向車(chē)內(nèi)傳播的途徑主要有兩個(gè)：一是通過(guò)車(chē)身壁板及門(mén)窗上所有的孔、縫直接傳入車(chē)內(nèi)；二是車(chē)外噪聲聲波作用于車(chē)身壁板，激發(fā)壁板振動(dòng)，向車(chē)內(nèi)輻射形成噪聲。

圖4各種聲源和振動(dòng)的傳遞路徑

3、  汽車(chē) NVH 設(shè)計(jì)思路

為了保持競(jìng)爭(zhēng)性，在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)確認(rèn)和控制汽車(chē)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)是非常關(guān)鍵的——建立具有挑戰(zhàn)性的 NVH 目標(biāo)，設(shè)計(jì)最理想的體系結(jié)構(gòu)，并且一直堅(jiān)持完善。要做到這些，需要遵循系統(tǒng)工程學(xué)方法，運(yùn)用層疊圖表去引導(dǎo)發(fā)展目標(biāo)的設(shè)定，將優(yōu)化對(duì)象的汽車(chē)水平目標(biāo)與系統(tǒng)及系統(tǒng)組成部件的目標(biāo)聯(lián)系起來(lái)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循以下設(shè)計(jì)原則：

① 運(yùn)用 NVH 流程表追蹤引導(dǎo)設(shè)計(jì)。

② 任何時(shí)候都首先要對(duì)激勵(lì)源進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

③ 避免與主模態(tài)共振。

④ 運(yùn)用激勵(lì)源——傳遞路徑——響應(yīng)器的流程方案。

4、  汽車(chē)NVH設(shè)計(jì)步驟

汽車(chē) NVH 特性的研究既可以貫穿于新車(chē)型的研發(fā)過(guò)程，也可以在現(xiàn)有車(chē)型的改進(jìn)設(shè)計(jì)中起到重要作用。它可以看作是建立在計(jì)算機(jī)仿真分析基礎(chǔ)之上的、以汽車(chē) NVH 特性為設(shè)計(jì)目標(biāo)的一種設(shè)計(jì)方法。在整車(chē)研發(fā)過(guò)程中，NVH特性的研究可以分為以下 4 個(gè)階段

（1）確定整車(chē)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有同類(lèi)型汽車(chē)的 NVH 性能水平設(shè)定新車(chē)型的 NVH 標(biāo)準(zhǔn)。

（2）利用計(jì)算機(jī)仿真分析整車(chē)各相關(guān)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

根據(jù)整車(chē) NVH 性能目標(biāo)的要求確定懸架系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)、車(chē)身、座椅和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)。例如，車(chē)輪與路面之間產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞到車(chē)身并激勵(lì)車(chē)身壁板振動(dòng)形成車(chē)室內(nèi)部的噪聲。在這個(gè)過(guò)程中，車(chē)身結(jié)構(gòu)和空腔以及前、后懸架的動(dòng)特性與車(chē)室內(nèi)部噪聲之間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)關(guān)系可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，即要建立整車(chē)的CAE模型并進(jìn)行仿真研究。利用仿真結(jié)果將實(shí)際的道路特性與子系統(tǒng)參數(shù)（如懸架動(dòng)剛度等）聯(lián)系起來(lái)，就可以根據(jù)整車(chē)的 NVH 性能目標(biāo)確定各個(gè)子系統(tǒng)的 NVH 目標(biāo)（圖5）。同時(shí)，各子系統(tǒng)目標(biāo)的確定也要符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的要求。

圖5各個(gè)子系統(tǒng)的NVH目標(biāo)

（3）通過(guò)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)和整車(chē)的性能目標(biāo)。

在實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)階段必須完成以下工作：

① 確定每個(gè)元件的詳細(xì)特征。這些特征可能在以前的建模分析中沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)，如連接孔、工藝孔、焊點(diǎn)位置等。

② 進(jìn)行各子系統(tǒng)元件的可靠性設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 改善汽車(chē) NVH特性，以確保結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)方案為最佳。

③ 進(jìn)行極限工況的校核（如懸架撞擊） 。

（4）樣車(chē)的試驗(yàn)與調(diào)整。

生產(chǎn)出樣車(chē)后，就可以在實(shí)驗(yàn)室中或道路上進(jìn)行試驗(yàn)。一般是用三向加速度傳感器測(cè)量人與車(chē)接觸面之間的振動(dòng)信號(hào)， 用傳聲器測(cè)量乘員耳旁的噪聲信號(hào)，以測(cè)試產(chǎn)品的性能與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的差異，從而進(jìn)行必要的調(diào)整與修改。

5、  面向 NVH 性能的輕量化設(shè)計(jì)思路

輕量化過(guò)程是現(xiàn)在大部分汽車(chē)產(chǎn)品都必須執(zhí)行的重要工作。然而，隨著輕量化技術(shù)的普及和深入發(fā)展，改進(jìn)后的汽車(chē)產(chǎn)品可能會(huì)暴露出一些新的問(wèn)題。輕量化技術(shù)的主要研究對(duì)象是車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的結(jié)構(gòu)、材料和工藝。

（1）以模態(tài)頻率為約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

模態(tài)分析可定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析。其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征矢量；在試驗(yàn)方面則是試驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)的極點(diǎn)（固有頻率和阻尼）和振型（模態(tài)向量）。然而，隨著模態(tài)分析專(zhuān)題研究范圍的不斷擴(kuò)展，從系統(tǒng)識(shí)別到結(jié)構(gòu)靈敏度分析以及動(dòng)力修改等，模態(tài)分析技術(shù)已被廣義地理解為包括力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的確定以及與其應(yīng)用有關(guān)的大部分領(lǐng)域。對(duì)于 NVH性能而言，汽車(chē)結(jié)構(gòu)的模態(tài)是非常重要的指標(biāo)，它關(guān)系到結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性、敏感頻率、傳遞特性等諸多重要問(wèn)題。在汽車(chē) NVH 設(shè)計(jì)中，通常通過(guò)計(jì)算或測(cè)量來(lái)描繪汽車(chē)整車(chē)或零部件的固有頻率圖，以了解其固有特性，避免汽車(chē)在使用過(guò)程中產(chǎn)生共振而影響其 NVH 性能。圖6所示為典型的汽車(chē)整車(chē)固有頻率分布。

 圖6

（2）面向聲固耦合現(xiàn)象的車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)內(nèi)部是由車(chē)身壁板圍成的一個(gè)封閉空間，充滿(mǎn)空氣，與任何結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一樣，它擁有模態(tài)頻率和模態(tài)振型，即聲腔模態(tài)，圖7 所示為聲腔有限元模型。聲腔模態(tài)不同于結(jié)構(gòu)模態(tài)以位移分布為特征，它是以壓力分布來(lái)衡量的。聲腔模態(tài)頻率是聲學(xué)共鳴頻率，在該頻率處車(chē)內(nèi)空腔產(chǎn)生聲學(xué)共鳴，壓力被放大。聲波在某一聲學(xué)模態(tài)頻率下，在車(chē)內(nèi)空腔傳播時(shí)，入射波與空腔邊界形成的反射波相互疊加或者相互抵消，從而在不同位置產(chǎn)生不同的聲壓。

圖7聲腔模型

汽車(chē)內(nèi)部聲腔模態(tài)因尺寸、空間和容積等而不同。轎車(chē)的第一階聲腔模態(tài)，一般為 40～80 Hz，而 MPV 車(chē)、微型車(chē)和 SUV 車(chē)則要低一些。同時(shí)，聲腔模態(tài)與頻率的立方成正比，模態(tài)密度隨著頻率的增加而急劇增加，而我們重點(diǎn)關(guān)注的聲腔模態(tài)一般是在 200 Hz 以?xún)?nèi)的。

3. 面向聲輻射特性的板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

聲腔和車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的強(qiáng)耦合隨著頻率的增加而減弱，隨著頻率的增加，每一塊板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與相鄰板的振動(dòng)聯(lián)系逐漸降低，高頻時(shí)基本上是單獨(dú)作用。振動(dòng)與聲腔聲場(chǎng)的耦合通常使用板的聲輻射系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。板類(lèi)結(jié)構(gòu)的聲輻射是經(jīng)典的聲學(xué)問(wèn)題。聲輻射物理現(xiàn)象可以通過(guò)波動(dòng)的概念來(lái)表述。均勻平板結(jié)構(gòu)受到垂向激勵(lì)振動(dòng)，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生彎曲彈性波向四周擴(kuò)散傳播。彎曲彈性波的波速與結(jié)構(gòu)的材料、形狀和激勵(lì)頻率都有關(guān)系。因此，在進(jìn)行薄板件的輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理控制截面形狀和尺寸，控制板件的輻射噪聲。
 
 
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