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面向NVH性能的汽車輕量化設計

2019-05-26 23:25:56·  來源：易萌森戈CAE工作室  
　
車輛的NVH是指在車輛工作條件下乘員感受到的噪聲（Noise）、振動Vibration）和聲振粗糙度（Harshness）。NVH是衡量汽車性能的一個綜合性指標，給汽車乘員的感受
車輛的 NVH 是指在車輛工作條件下乘員感受到的噪聲（Noise）、振動Vibration）和聲振粗糙度（Harshness）。NVH 是衡量汽車性能的一個綜合性指標，給汽車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的品質，是描述人體對振動和噪聲的主觀感覺，不能直接用客觀測量方法來度量（也有學者將 Harshness 稱為不平順性，或者沖擊性等）。 噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）是汽車設計中越來越重要的因素，這也使人們不斷完善汽車設計。振動始終是與可靠性和質量相關的重要問題，噪聲對汽車使用者和周圍環(huán)境的影響也越來越重要。聲振粗糙度與振動和噪聲的瞬態(tài)性質密切相關，也與汽車的性能有緊密的關系。汽車振動與噪聲的控制對設計人員提出嚴峻的挑戰(zhàn)，因為與許多機械系統(tǒng)不同，汽車有多處振動和噪聲源，并且這些振動和噪聲源相互作用，隨汽車的行駛速度發(fā)生變化。尤其是現(xiàn)在原材料價格不斷上升，更加重視汽車的輕量化研究，并且發(fā)動機轉速更高，以降低油耗和提高發(fā)動機的性能，這也同時會增大汽車的噪聲和振動，對汽車工程師提出許多新問題。噪聲和振動問題的解決有助于縮短新車投放市場的周期。隨著人們對汽車乘坐舒適性要求的提高，各國對汽車噪聲的要求越來越嚴格，改善車輛內部聲學環(huán)境，降低車內噪聲水平，是各國政府和汽車生產廠家共同關心的問題。車內噪聲過大將嚴重影響汽車的乘坐舒適性、會話清晰度以及駕駛員對各種信號的識別能力。輕量化車身設計過程中，隨著高強度薄壁鋼板的大量使用，一個突出的問題是可能導致局部振動特性和車內噪聲水平惡化。因此，有必要對輕量化前后車身結構的 NVH 特性進行評價。

1、  汽車的 NVH 性能和 NVH 技術的發(fā)展

隨著發(fā)動機功率不斷提高，噪聲與振動也隨之增加，政府法規(guī)對通過噪聲的要求也越來越嚴格。表 1 表示不同時期歐盟對通過噪聲的限制要求，1970 年的 82 dB（A）到 1995 年的74 dB（A），噪聲降低了 8 dB（A）。

表1 歐盟不同時期通過噪聲標準（乘用車）

在制定一輛汽車的噪聲與振動指標時，要考慮 4 方面的因素。第一是政府法規(guī)。目前，主要發(fā)達國家政府對于噪聲和振動的法規(guī)是通過噪聲標準。在歐洲，通過噪聲的標準是不超過 74 dB（A）；在美國，通過噪聲標準是小于78 dB（A）。第二是消費者要求。在汽車開發(fā)之前，汽車廠商都會進行市場調查，了解市場上需要什么樣的車，噪聲與振動水平怎么樣。在汽車開發(fā)過程中，都是以滿足消費者的需求為中心的。第三是競爭對手的車。如果確定了將要開發(fā)的車在市場中的定位，就可以與競爭對手的相似車型進行對比測試分析，使得新產品在市場中更具競爭力。第四是公司的技術能力。不同的汽車廠商會根據(jù)自己研發(fā)實力、設備水平以及自身產品的實際情況制定相應的 NVH 設計目標。

當這  4  方面的要求都滿足時，就可以制定整車層次的噪聲與振動目標，包括駕駛員和乘員耳朵處的噪聲大小、轉向盤的振動、地板的振動以及座椅的振動。然后將整車振動目標分解，首先是分解到系統(tǒng)層次，如動力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等；然后繼續(xù)分解到子系統(tǒng)，如將動力系統(tǒng)目標分解到發(fā)動機子系統(tǒng)、進氣子系統(tǒng)、排氣子系統(tǒng)等；最后將子系統(tǒng)噪聲與振動目標分解到零部件，如將排氣系統(tǒng)目標分解到消聲器的傳遞損失、掛鉤隔振器的傳遞率等。

汽車的噪聲與振動有兩個特點：一是與發(fā)動機的轉速和汽車行駛速度有關；二是不同的噪聲振動源有不同的頻率范圍。圖1所示為汽車噪聲振動源與行駛速度的關系。低速時，發(fā)動機是主要噪聲振動源；中速時，輪胎與路面的摩擦是主要噪聲振動源；高速時，車身與空氣之間的摩擦變成了最主要的噪聲源。圖2 所示為噪聲振動源與頻率的關系。低頻時，發(fā)動機是主要噪聲振動源，路面與輪胎摩擦和車身與空氣摩擦的貢獻隨著頻率增加而增加；中頻時，變速箱和風激勵噪聲占主導成分；高頻時，主要考慮的問題是說話和聽話的聲音是否清晰，即所謂的聲品質問題。

圖1汽車振動噪聲與車速的關系

圖2汽車振動噪聲與頻率的關系

2、  汽車噪聲與振動的主要問題

車內噪聲產生的機理如圖3

圖3車內噪聲機理

圖3的聲源包括發(fā)動機噪聲、底盤噪聲及氣體流動噪聲等。這些聲源所輻射的噪聲在車身周圍形成一個不均勻聲場。聲場中的噪聲向車內傳播的途徑主要有兩個：一是通過車身壁板及門窗上所有的孔、縫直接傳入車內；二是車外噪聲聲波作用于車身壁板，激發(fā)壁板振動，向車內輻射形成噪聲。

圖4各種聲源和振動的傳遞路徑

3、  汽車 NVH 設計思路

為了保持競爭性，在設計開始時確認和控制汽車設計體系結構是非常關鍵的——建立具有挑戰(zhàn)性的 NVH 目標，設計最理想的體系結構，并且一直堅持完善。要做到這些，需要遵循系統(tǒng)工程學方法，運用層疊圖表去引導發(fā)展目標的設定，將優(yōu)化對象的汽車水平目標與系統(tǒng)及系統(tǒng)組成部件的目標聯(lián)系起來。

在設計過程中，遵循以下設計原則：

① 運用 NVH 流程表追蹤引導設計。

② 任何時候都首先要對激勵源進行準確的定位。

③ 避免與主模態(tài)共振。

④ 運用激勵源——傳遞路徑——響應器的流程方案。

4、  汽車NVH設計步驟

汽車 NVH 特性的研究既可以貫穿于新車型的研發(fā)過程，也可以在現(xiàn)有車型的改進設計中起到重要作用。它可以看作是建立在計算機仿真分析基礎之上的、以汽車 NVH 特性為設計目標的一種設計方法。在整車研發(fā)過程中，NVH特性的研究可以分為以下 4 個階段

（1）確定整車設計標準。

根據(jù)市場現(xiàn)有同類型汽車的 NVH 性能水平設定新車型的 NVH 標準。

（2）利用計算機仿真分析整車各相關子系統(tǒng)設計目標。

根據(jù)整車 NVH 性能目標的要求確定懸架系統(tǒng)、發(fā)動機懸置系統(tǒng)、車身、座椅和轉向系統(tǒng)等子系統(tǒng)的性能標準。例如，車輪與路面之間產生的振動通過懸架系統(tǒng)傳遞到車身并激勵車身壁板振動形成車室內部的噪聲。在這個過程中，車身結構和空腔以及前、后懸架的動特性與車室內部噪聲之間復雜的動態(tài)關系可以通過數(shù)學模型來描述，即要建立整車的CAE模型并進行仿真研究。利用仿真結果將實際的道路特性與子系統(tǒng)參數(shù)（如懸架動剛度等）聯(lián)系起來，就可以根據(jù)整車的 NVH 性能目標確定各個子系統(tǒng)的 NVH 目標（圖5）。同時，各子系統(tǒng)目標的確定也要符合試驗設計和可靠性設計的要求。

圖5各個子系統(tǒng)的NVH目標

（3）通過元件的結構設計實現(xiàn)子系統(tǒng)和整車的性能目標。

在實現(xiàn)性能目標的設計階段必須完成以下工作：

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

② 進行各子系統(tǒng)元件的可靠性設計和多目標優(yōu)化設計， 改善汽車 NVH特性，以確保結構元件的設計方案為最佳。

③ 進行極限工況的校核（如懸架撞擊） 。

（4）樣車的試驗與調整。

生產出樣車后，就可以在實驗室中或道路上進行試驗。一般是用三向加速度傳感器測量人與車接觸面之間的振動信號， 用傳聲器測量乘員耳旁的噪聲信號，以測試產品的性能與設計目標之間的差異，從而進行必要的調整與修改。

5、  面向 NVH 性能的輕量化設計思路

輕量化過程是現(xiàn)在大部分汽車產品都必須執(zhí)行的重要工作。然而，隨著輕量化技術的普及和深入發(fā)展，改進后的汽車產品可能會暴露出一些新的問題。輕量化技術的主要研究對象是車身結構及零部件的結構、材料和工藝。

（1）以模態(tài)頻率為約束的結構優(yōu)化設計

模態(tài)分析可定義為對結構動態(tài)特性的解析分析和試驗分析。其結構動態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。在數(shù)學上，模態(tài)參數(shù)是力學系統(tǒng)運動微分方程的特征值和特征矢量；在試驗方面則是試驗測得的系統(tǒng)的極點（固有頻率和阻尼）和振型（模態(tài)向量）。然而，隨著模態(tài)分析專題研究范圍的不斷擴展，從系統(tǒng)識別到結構靈敏度分析以及動力修改等，模態(tài)分析技術已被廣義地理解為包括力學系統(tǒng)動態(tài)特性的確定以及與其應用有關的大部分領域。對于 NVH性能而言，汽車結構的模態(tài)是非常重要的指標，它關系到結構動態(tài)特性、敏感頻率、傳遞特性等諸多重要問題。在汽車 NVH 設計中，通常通過計算或測量來描繪汽車整車或零部件的固有頻率圖，以了解其固有特性，避免汽車在使用過程中產生共振而影響其 NVH 性能。圖6所示為典型的汽車整車固有頻率分布。

 圖6

（2）面向聲固耦合現(xiàn)象的車身結構優(yōu)化設計

汽車內部是由車身壁板圍成的一個封閉空間，充滿空氣，與任何結構系統(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)不同于結構模態(tài)以位移分布為特征，它是以壓力分布來衡量的。聲腔模態(tài)頻率是聲學共鳴頻率，在該頻率處車內空腔產生聲學共鳴，壓力被放大。聲波在某一聲學模態(tài)頻率下，在車內空腔傳播時，入射波與空腔邊界形成的反射波相互疊加或者相互抵消，從而在不同位置產生不同的聲壓。

圖7聲腔模型

汽車內部聲腔模態(tài)因尺寸、空間和容積等而不同。轎車的第一階聲腔模態(tài)，一般為 40～80 Hz，而 MPV 車、微型車和 SUV 車則要低一些。同時，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，而我們重點關注的聲腔模態(tài)一般是在 200 Hz 以內的。

3. 面向聲輻射特性的板結構優(yōu)化設計

聲腔和車身結構振動模態(tài)的強耦合隨著頻率的增加而減弱，隨著頻率的增加，每一塊板結構的振動與相鄰板的振動聯(lián)系逐漸降低，高頻時基本上是單獨作用。振動與聲腔聲場的耦合通常使用板的聲輻射系數(shù)來評價。板類結構的聲輻射是經(jīng)典的聲學問題。聲輻射物理現(xiàn)象可以通過波動的概念來表述。均勻平板結構受到垂向激勵振動，在結構中產生彎曲彈性波向四周擴散傳播。彎曲彈性波的波速與結構的材料、形狀和激勵頻率都有關系。因此，在進行薄板件的輕量化設計時，應合理控制截面形狀和尺寸，控制板件的輻射噪聲。
 
 
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