作者：Lindsay Brooke
本文原發(fā)表于SAE《汽車工程》雜志

仿真工具助力電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)新的 NVH 挑戰(zhàn)。

在 FEV 公司的消聲室中，一部電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)裝置正在進(jìn)行 NVH 分析。通常來(lái)說(shuō)，汽車驅(qū)動(dòng)裝置的電磁和齒輪噪聲時(shí)常讓開(kāi)發(fā)人員無(wú)比抓狂。

對(duì)汽車工程師來(lái)說(shuō)，除了面臨如火如荼的汽車電氣化轉(zhuǎn)型所帶來(lái)的新挑戰(zhàn)之外，噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（NVH）等“老冤家”也并未走遠(yuǎn)。在過(guò)去十年中，汽車行業(yè)憑借新的工具和知識(shí)成功解決了內(nèi)燃機(jī)汽車的 NVH 挑戰(zhàn)，大幅降低了最后關(guān)口“緊急修補(bǔ)”的必要性。然而，這些成果從另一方面同時(shí)提高了人們對(duì)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車噪聲水平的期望，而值得注意的是，電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題本來(lái)就比內(nèi)燃機(jī)車型更難解決。

電動(dòng)汽車客戶在吐槽車輛噪聲時(shí)總是毫不吝嗇。2020 年初，在一個(gè)特斯拉車主的在線論壇上，一篇針對(duì)“車內(nèi)噪聲評(píng)論”的帖子顯示，車主對(duì)特斯拉在“車內(nèi)噪聲”這一重要汽車衡量指標(biāo)方面的表現(xiàn)明顯不滿。以下摘選幾個(gè)例子：

一位特斯拉 Model 3 的車主寫道，“今天，我上 I-15S 公路開(kāi)了一輛駕駛雷克薩斯 ES 350，這輛車要比特斯拉 Model 3 更安靜。”這位車主用分貝儀分別測(cè)量了兩輛汽車的噪聲情況。對(duì)比來(lái)說(shuō)，在這條洲際公路上，特斯拉時(shí)速70 英里（112.6 公里）的噪聲水平為 74 dBA，但雷克薩斯在同等條件下的噪聲水平僅為 67 dBA，明顯更安靜。

一位奧迪的前車主表示：“這輛車 [特斯拉 Model3] 絕對(duì)比我以前的 A7 更吵，甚至我都不敢開(kāi)到時(shí)速 110 公里（68 英里）以上。要知道，我平時(shí)可是經(jīng)常開(kāi)到時(shí)速 160 公里（100 英里）的人。更糟糕的是，只要開(kāi)到時(shí)速 110 公里以上，你就別指望用 Spotify 或 Tunein 聽(tīng)任何古典音樂(lè)了，你根本聽(tīng)不見(jiàn)，把音樂(lè)音量調(diào)高只會(huì)讓情況更糟糕。”

一位來(lái)自德克薩斯州的特斯拉車主承認(rèn)：“沒(méi)錯(cuò)，Model 3 確實(shí)比我之前的那輛車更吵，特別是在道路條件不好的情況下。雖然 Model 3 采用了‘靜音’輪胎，但它還是比我妻子的謳歌RDX 和我女兒的奔馳 C300 更吵。”

事實(shí)上，這些情況并不是 Model 3 或特斯拉獨(dú)有的，所有的電動(dòng)汽車均面臨同樣的情況。


Kean Govindswamy 指出，F(xiàn)EV 的汽車行業(yè)基準(zhǔn)工作可以支持公司全面開(kāi)展 NVH 開(kāi)發(fā)工作。

FEV 北美公司傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、車輛工程和 NVH 副總裁 Kiran Govindswamy 表示，“盡管電動(dòng)汽車的整體噪聲更低，但面臨的 NVH 挑戰(zhàn)卻更嚴(yán)峻。他說(shuō)，“電動(dòng)汽車沒(méi)有嗡嗡作響的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)作掩護(hù)，因此車內(nèi)的任何噪聲都能聽(tīng)到，很容易引起關(guān)注。其中，很大一部分是風(fēng)聲和道路噪音。目前，NVH 工程方面的工作重點(diǎn)是平衡車輛的動(dòng)力總成、風(fēng)聲和道路噪聲的頻率。”

NVH 性能是評(píng)估車輛質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是電動(dòng)汽車的重要特征之一。電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)在啟動(dòng)階段和低速巡航階段的精致體驗(yàn)是哪怕最順滑的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)都無(wú)法媲美的。通常，當(dāng)電動(dòng)汽車高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，車輛的寬帶噪音并不高，主要以純音為主。但隨著轉(zhuǎn)速不斷拉升，這種聲音就會(huì)變成惱人的高頻噪聲。此外，車輛逆變器在 10,000 Hz頻率附近工作時(shí)也會(huì)發(fā)出高頻噪聲。

對(duì)此，工程仿真解決方案制造商 Ansys 公司 Physics 業(yè)務(wù)部首席產(chǎn)品經(jīng)理 Marius Rosu 表示，“對(duì)于電動(dòng)汽車研發(fā)工程師來(lái)說(shuō)，車輛的電機(jī)噪聲是個(gè)大問(wèn)題。在各種電機(jī)速度下，NVH 都無(wú)法避免，這不僅可能導(dǎo)致車輛疲勞受損，而且還會(huì)給車上人員帶來(lái)不適。”

電動(dòng)汽車推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲包括來(lái)自牽引電機(jī)的電磁噪聲或來(lái)自動(dòng)能回收（regen）模式下的發(fā)電機(jī)噪聲。“齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)也是一樣，總是吱吱作響，”Govindswamy 指出，“這是軸和軸承之間摩擦的機(jī)械噪聲，而且也是汽車廠商創(chuàng)造車輛標(biāo)志性聲音的位置。”

此外，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)單元還有一些其他的噪聲，即通?？梢噪[藏在內(nèi)燃機(jī)車型中的暖通空調(diào)（HVAC）噪音，包括電動(dòng)熱泵循環(huán)的聲音，甚至還有車輛在停止時(shí)冷卻劑在電池組中晃動(dòng)的聲音，這些聲音用戶都能聽(tīng)到。對(duì)此，工程人員必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，保證這些系統(tǒng)的工作噪聲都不能超過(guò)車輛本身的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

專家們表示，工程師可以通過(guò)結(jié)合使用有限元和多車身系統(tǒng)仿真工具，在組件、系統(tǒng)及整車層面進(jìn)行優(yōu)化。這些工具可以幫助工程師分析輪系的動(dòng)力學(xué)、軸偏轉(zhuǎn)、外殼結(jié)構(gòu)件以及驅(qū)動(dòng)單元中的電磁力分布情況，從而避免了搭建原型所需的時(shí)間和成本，可以極大地便利工程師的降噪、降振工作。

NVH 是一種平衡的藝術(shù)：舉個(gè)例子，你的重點(diǎn)應(yīng)該是精益求精地調(diào)整齒輪的尺寸，從而減少噪聲源頭的噪聲？還是應(yīng)該專注于驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)的敏感度，從而使其盡量不要放大進(jìn)入車艙內(nèi)和外部世界的噪聲？此外，當(dāng)下，汽車行業(yè)為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性而普遍采用輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，這也會(huì)讓車輛更加容易受到 NVH 的影響。

“你必須在架構(gòu)設(shè)計(jì)和聲學(xué)包裝研發(fā)方面大膽創(chuàng)新，比如精準(zhǔn)調(diào)整動(dòng)力總成和懸掛的安裝位置等。”FEV 公司的 Govindswamy 表示，“你必須找到一個(gè)最佳的安裝點(diǎn)，從而最大限度地減少車內(nèi)設(shè)計(jì)對(duì)噪聲的放大效果，”進(jìn)而控制車輛的 NVH水平。


達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）的 SIMULIA 仿真工具套件旨在幫助工程師直觀地觀察各種與風(fēng)聲和道路噪聲有關(guān)的NVH 源和路徑，從而優(yōu)化車內(nèi)的噪聲環(huán)境。

深入研究根本原因

電動(dòng)汽車廠商對(duì)控制車輛 NVH 的迫切需求催生了一個(gè)非?；钴S的專業(yè)供應(yīng)商領(lǐng)域：模擬工具提供商。這些提供商已經(jīng)有針對(duì)性的推出了數(shù)十個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的仿真工具集，其中最受歡迎的是可以深入研究潛在噪聲根本原因的跨學(xué)科套裝。

位于密歇根州沃特福德市的 Kolano & Saha 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席顧問(wèn) Pranhab Saha 觀察到：“針對(duì) NVH 的軟件工具往往是基于邊界元素、統(tǒng)計(jì)能量和氣體流動(dòng)工作的，每個(gè)工具都有頻率范圍的限制。”正因?yàn)槿绱?，他說(shuō)，工程師們已經(jīng)在各種工具之間建立了“橋梁”，通過(guò)配合使用這些工具，從而在更廣泛的頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頻率響應(yīng)情況。

“例如，NVH 聲學(xué)包裝材料通常工作在中高頻段，所以這些材料制造商通常會(huì)選擇統(tǒng)計(jì)能量分析工具，”Saha 解釋說(shuō)，“但是，往往存在在較低頻率范圍中的輪胎腔噪音呢？此時(shí)，統(tǒng)計(jì)能量分析模型可能就無(wú)法發(fā)揮作用了，我們必須搭配其他軟件工具，從而拓展可以進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的頻率范圍。”

舉個(gè)例子，電機(jī)中的磁力水平是機(jī)械和聲學(xué)分析的關(guān)鍵輸入量之一，也是準(zhǔn)確預(yù)測(cè) NVH 的第一步。對(duì)此，比如 Ansys 就可以提供一種模擬電機(jī)噪聲的模擬工具，可以模擬電機(jī)氣隙內(nèi)磁力引起的電機(jī)噪聲。Rosu 表示，不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)可以通用，比如來(lái)自 Ansys Maxwell 的瞬態(tài)電磁仿真平臺(tái)可以創(chuàng)建和測(cè)試數(shù)字原型，其輸出結(jié)果則可以直接作為 Ansys Mechanical 平臺(tái)的輸入資料，繼續(xù)完成諧波振動(dòng)分析。

Rosu 解釋說(shuō)，“在之前的版本中，我們的軟件僅可以生成單個(gè)工作點(diǎn)的聲譜，但如今已經(jīng)可以連續(xù)在多個(gè)速度點(diǎn)上生成聲譜，實(shí)現(xiàn)所謂的多轉(zhuǎn)速模擬。”

Maxwell 工具還提供了一些仿真模版，支持自動(dòng)化模擬。在進(jìn)行模擬時(shí)，工程師可能只需要指定一些電機(jī)的典型參數(shù)，比如相數(shù)、極數(shù)、插槽、材料、電機(jī)尺寸、線圈間距等，后續(xù) Maxwell 工具即可自動(dòng)生成電機(jī)設(shè)計(jì)。（Maxwell 還允許直接導(dǎo)入外殼和電機(jī)型號(hào)參數(shù)。) Rosu 表示，“Maxwell 可以模擬電機(jī)在不同速度、電流、功率、扭矩等各種條件下的工作情況，幫助研發(fā)人員更好地了解電機(jī)的電磁性能以及機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的磁力情況。”

在此之后，工程人員還可以將 Maxwell 的輸出結(jié)果直接輸入 Ansys VRXPERIENCE Sound 工具，繼續(xù)用于合成和評(píng)估電機(jī)噪聲及其對(duì)人類感知的影響。通過(guò)結(jié)合使用 Maxwell、Mechanical 和 VRXPERIENCE Sound 等多種跨學(xué)科工具，工程人員可以得到電機(jī)的聲學(xué)特性音頻文件，幫助工程師聽(tīng)到電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的聲音。Rosu 說(shuō)：“有了電機(jī)的完整聲學(xué)資料，電氣和機(jī)械工程師就可以更有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，從而降低控制 NVH 并同時(shí)滿足電氣性能。”


Ansys 的 NVH 工具平臺(tái)包括 Maxwell、Motion、MAPDL 和 Dyna 等多個(gè)系列，旨在簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)人員的工作流程，可以以更簡(jiǎn)潔的方式解決各個(gè)頻段內(nèi)的振動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題，并減少所需的原型迭代數(shù)量。

SIMULIA 套裝讓你盡早上手

開(kāi)發(fā)工程師認(rèn)為，電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)最大的兩個(gè)挑戰(zhàn)是 NVH 和風(fēng)/輪胎噪音和振動(dòng)。“內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)車輛也一直都有道路噪聲，但道路噪音和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一些噪聲的頻率一致，因此不那么明顯。”Saha 表示，“電動(dòng)汽車中本來(lái)就沒(méi)有轟轟作響的內(nèi)燃機(jī)作掩護(hù)，因此任何輪胎/路面噪音都變得更加明顯。”

對(duì)此，輪胎公司正在開(kāi)發(fā)更安靜的輪胎，在輪胎結(jié)構(gòu)中增加更多的彈性和阻尼，來(lái)減少輻射噪音。不過(guò)，如果靜音輪胎還是不能達(dá)到車輛的降噪目標(biāo)時(shí)，那車輛原始設(shè)備制造商就不得不在車內(nèi)添加更多加固襯料或聲學(xué)包裝材料，進(jìn)而增加了車輛的重量和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。“自從無(wú)內(nèi)胎輪胎問(wèn)世以來(lái)，輪胎腔噪音的問(wèn)題從未真正解決。”Saha 指出，“對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，安靜的輪胎更為重要。為了解決 250 到 300 Hz 附近的腔體噪音問(wèn)題，輪胎廠商已經(jīng)在輪胎內(nèi)部進(jìn)行了大量工作，目的只有一個(gè)：盡量降低輪胎的腔體噪音。”

Saha 和其他專家斷言，最好的NVH 解決方案一定是從系統(tǒng)層面出發(fā)的。達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes）技術(shù)總監(jiān) Siva Senthooran 表示：“我們可以在組件級(jí)別對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行 NVH 優(yōu)化，但問(wèn)題是當(dāng)這些經(jīng)過(guò)優(yōu)化的組件一下子全部放在一起時(shí)，往往無(wú)法達(dá)到客戶的NVH 要求。

達(dá)索系統(tǒng)的 SIMULIA 系列可以提供最全面的 NVH 模擬工具箱。SIMULIA 系列工具箱允許工程師在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡可能早地著手進(jìn)行 NVH 分析，甚至不用等到原型準(zhǔn)備好以后。它解決了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：噪聲源和噪聲路徑。Senthooran說(shuō)，SIMULIA 中的 PowerFLOW 套件可以“預(yù)測(cè)風(fēng)在車輛周圍的流動(dòng)，以及其將以何種噪聲形式進(jìn)入車艙”。此外，CST 工具也可以用于處理電磁噪聲源；達(dá)索系統(tǒng)的 Simpack 產(chǎn)品可以預(yù)測(cè)多體系統(tǒng)產(chǎn)生的力；Abaqus 適用于中低頻振動(dòng)和聲學(xué)結(jié)構(gòu)耦合方面的模擬；Wave6 可以解決寬頻率范圍內(nèi)的噪聲傳輸和輻射路徑。

為了分析風(fēng)噪聲，NVH 工程師需要一個(gè)真實(shí)的外部形狀，但粘土模型不適合這種類型的研究，所以團(tuán)隊(duì)必須等待聲學(xué)質(zhì)量原型就位。“PowerACOUSTICS 設(shè)計(jì)工具是 PowerFLOW 套件的一部分，主要用于車輛細(xì)節(jié)尚未最后敲定的早期設(shè)計(jì)階段，可以幫助工程師了解不同結(jié)構(gòu)可能會(huì)傳遞多少噪聲。”Senthooran 解釋說(shuō)，“有了PowerACOUSTICS 工具，您就可以真實(shí)地預(yù)測(cè)車上人員未來(lái)將在車內(nèi)聽(tīng)到什么。”這樣一來(lái)，原型設(shè)計(jì)一旦就位，工程師可以立馬著手進(jìn)行優(yōu)化。“那時(shí)，工程師們已經(jīng)找到了設(shè)計(jì)中的大部分問(wèn)題。”Senthooran 說(shuō)，“當(dāng)快到表面設(shè)計(jì)凍結(jié)階段時(shí)，工程師將可以直觀地觀察到有關(guān) NVH 的問(wèn)題，并與工作室合作提出解決方案。”


輪胎制造商、電動(dòng)汽車工程師和仿真工具提供商也在重新審視輪胎的腔內(nèi)噪聲問(wèn)題以及輪胎與路面之間的摩擦噪聲問(wèn)題。

頂級(jí) NVH 數(shù)據(jù)庫(kù)，支持電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)

當(dāng)被問(wèn)及哪家供應(yīng)商的何種產(chǎn)品在他的 NVH 工作中發(fā)揮了“奠基性”作用時(shí)，一位來(lái)自底特律三大汽車巨頭的電動(dòng)汽車研發(fā)工程師回答到，“FEV 公司的 NVH 數(shù)據(jù)庫(kù)。”

作為一家全車工程服務(wù)提供商，F(xiàn)EV 會(huì)定期為整個(gè)汽車行業(yè)的新車進(jìn)行 NVH 性能基準(zhǔn)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果加入一個(gè)目前已經(jīng)涵蓋超過(guò) 600 款車型和發(fā)動(dòng)機(jī)的專有的數(shù)據(jù)庫(kù)中，允許客戶靈活地使用超過(guò) 100 多個(gè)指標(biāo)，用于制定零部件、系統(tǒng)和車輛開(kāi)發(fā)計(jì)劃的目標(biāo)。

FEV 的工程師會(huì)基于數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，為各種指標(biāo)生成生成“散點(diǎn)圖”，展示整個(gè)汽車行業(yè)目前在該指標(biāo)方面的表現(xiàn)。Govindswamy 解釋說(shuō)：“各種指標(biāo)都可以生成散點(diǎn)圖，比如發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)單元的輻射噪聲、安裝件的隔絕性能或車輛的聲學(xué)靈敏度功能。”

“NVH 數(shù)據(jù)庫(kù)讓我們能夠幫助客戶找準(zhǔn)他們的產(chǎn)品在 CAE 和開(kāi)發(fā)測(cè)試中的位置，從而更好地支持客戶工作。”Govindswamy說(shuō)，“你們是業(yè)內(nèi)最好的產(chǎn)品嗎？中間檔次？還是仍有改進(jìn)的余地？通過(guò)找準(zhǔn)自己的位置，從而作出更好的開(kāi)發(fā)決策，這是我們工作的核心。”