傳統(tǒng)汽車和電動汽車的核心區(qū)別在于驅動源由發(fā)動機切換成了電動機。電動機很容易成為新的汽車噪音源，原因有兩個：

在非正弦供電的情況，電機存在高頻電磁力成分，極易形成電磁噪音，通過輻射和結構傳播，在駕駛室內(nèi)形成復雜的混響。

電動汽車追求輕量化，高功率密度，不但電機質量和剛度變小，車架、后橋等都比傳統(tǒng)汽車要輕，因此更容易激起大的振動響應。

兩種汽車雖然振源不一樣，但振動傳遞方式、動力學機理是一樣的，因此如何降低電動汽車噪音和振動，同樣可以系統(tǒng)性的借鑒傳統(tǒng)汽車的思路和方法。在汽車界這里有個專門的說法叫NVH工程即Noise（噪聲）、Vibration（振動）和Harshness（聲振粗糙度，也可以通俗地理解為不平順性），今天主要分析的就是NVH是如何解決問題的。



傳統(tǒng)汽車噪音來源有三種，分別是發(fā)動機噪音、空氣噪音、路面噪音，其中發(fā)動機噪音是核心來源，對它的處理方法和電動汽車的驅動噪音非常類似，因此也是最值得我們借鑒的。



車內(nèi)噪聲的主要來源

傳統(tǒng)汽車NVH前輩們解決發(fā)動機噪音的方法有很多，總結來講有三大類方法：

從源頭減振法


和電機一樣，發(fā)動機是一種復雜噪音來源。它主要成分是機械噪音，是由不平衡慣性力引起的振動和噪音。從戰(zhàn)略角度而言，把敵人消滅在搖籃里是最佳策略。

從源頭上解決機械的方法有：

(1) 多缸串聯(lián)法

雖然每個活塞沖擊力是不均勻的，但通過不同相位的活塞串聯(lián)，達到總出軸的轉矩波動大體上是均勻的。這種思想就相當于電機行業(yè)的斜極斜槽、多單元電機。按這個思路出發(fā)，多相電機、軸向串聯(lián)單元電機都是可以減少轉矩波動從而降低噪音。

發(fā)動機也在追求減少每個活塞的力的沖擊，包括減小活塞間隙，因為間隙會導致活塞的偏離力學中心，從而形成不平衡的力，任何不平衡的力都會產(chǎn)生振動。這一點電機也可以借鑒，電機存在理論上的旋轉中心，這個中心是電機的力學中心，電機的出軸旋轉間隙，不均勻的電磁力都會導致力學中心偏移，就相當于活塞的間隙，當然是越小越好。

(2) 框架拓撲優(yōu)化法

如果說減小間隙是會產(chǎn)生更高的工藝要求，受制于制造水平，令人敬佩的是，發(fā)動機的前輩們尋求到了另外一種解決方法，就是框架拓撲優(yōu)化法。其核心思想是通過優(yōu)化拓撲結構減小發(fā)動機框架結構受不平衡力激勵下的響應。下圖就是某款發(fā)動機的拓撲結構，你會發(fā)現(xiàn)很多優(yōu)化設計細節(jié)。相比較之下，電機人就該有點愧懺，因為電機的機殼、端蓋等支撐結構，幾乎就沒有認真的做過動力學優(yōu)化。因此優(yōu)化電機拓撲結構、減小振動響應是很重要的一個研究方向。


拓撲優(yōu)化的目標是改善機殼的頻率響應函數(shù)，具體的方法有： 

改善質量分布法；

改善結構具體位置剛度法；

改進結構的阻尼特性等等，相比較我們傳統(tǒng)的方法，豐富了很多。

隔振抑振法
徹底消滅振源可是天方夜譚，因此，如何將振動噪音消滅在傳播途中便成了議題，NVH工程師們花費了大量的心血用在了這場狙擊戰(zhàn)上。

(1) 加阻尼懸置或阻尼聯(lián)結


發(fā)動機懸置模型


橡膠懸置的力學模型坐標

如上圖所示，NVH們在發(fā)動機的和機架的接觸位置放置了阻尼器，用以將振動隔絕在發(fā)動機內(nèi)。阻尼能夠起到抑制振動的效果，抑制的好壞用傳遞率來衡量，傳遞率為100%意味著不起阻尼作用。好的阻尼設計能夠將傳遞率降到30%以下，也就是說大部分的振動被狙擊掉了。



橡膠隔振器


橡膠隔振器力學模型

但阻尼有一個問題，就是一種材料對低頻的阻尼效果好，對高頻就不好，反之亦然。也就是說，會出現(xiàn)在低速和高速不能兼顧情況。這相當于狙擊戰(zhàn)上，要么只能打步兵，要么只能打坦克。這沒有難倒NVH們，他們又發(fā)展出了液固混合阻尼，磁流阻尼。前一種阻尼能夠在很寬的頻率下，都能起到很好的效果；后一種阻尼不但有此優(yōu)點，更能夠用電流來控制阻尼效果和阻尼頻率。這就帶來了一項主動阻尼的效果，可以根據(jù)不同的頻率、強度，針對性的調整阻尼參數(shù)，這就相當于能夠靈活的調整火力配置和強度。當然這種阻尼材料一般用在豪華轎車上。


左：零磁場下的磁流變液；（右）強磁場下的磁流變液
不同磁場下材料的黏度不一樣

除了在發(fā)動機缸體上安裝阻尼材料，減少發(fā)動機不旋轉部分振動的輸出。針對發(fā)動機的旋轉部分也可以設置阻尼材料，達到隔振的效果。

(2) 減振皮帶輪

減振皮帶輪是由一夾在皮帶輪和軸套間的橡膠隔振板構成的（見下圖）。當曲軸穩(wěn)定轉動時，轉矩減振器與之同步轉動；當發(fā)動機轉速變化并產(chǎn)生轉矩波動時，這個減振器會使橡膠隔振板扭轉，以保持現(xiàn)有轉速，吸收了扭轉振動。


隔振和消振的策略是有效的，也是值得電機人學習的。車用驅動電機的定子系統(tǒng)要么是法蘭安裝、要么是底座安裝，可以嘗試采用適當?shù)淖枘岵牧蟻碜鬟^渡，但這會引起對中精度的下降。對旋轉系統(tǒng)，一般都采用齒輪或花鍵直接剛性連接，也可以采用柔性連接過渡。比如現(xiàn)在開始興起的磁性連軸器，就是一種非接觸連接，靠電磁傳遞將力傳遞到齒輪側，而且這種方法對中容差很大，有利于在定子側安裝阻尼材料。

消音吸音法

如果說即沒有把振動消滅在搖籃里，也沒有狙擊在路徑上，那么現(xiàn)在只有最后一道防線了，那就是不要讓振動變現(xiàn)成噪音。在車體內(nèi)設置吸音材料，在主要噪音源處設置消音結構。如何設置吸音材料不用我們考慮，市場上有大量的吸音棉，吸引復合板、吸引鍍層材料可供選擇。對于電機表面發(fā)出的高頻電磁噪音，可以用包裹吸音材料的方法加以抑制。


(1) 主動消音法

設想很簡單，就是在管道中安裝一個傳感器提取聲學信號，然后經(jīng)過一個控制器產(chǎn)生一個大小與管道聲壓幅值相等、相位相反的聲信號，來抵消管道中的聲音，如下圖。


這種手段再結合控制算法，就能夠創(chuàng)造出一個相當安靜的駕駛空間，即便振動很大。

(2) 全車系統(tǒng)頻率管理

在NVH工程師們的三種方法外，小編還看到了一些更底層也更基礎的方法。比如全車系統(tǒng)頻率管理，這是一種更系統(tǒng)性的方法。就是將車體的主要部件的固有頻率、響應函數(shù)、阻尼系數(shù)、振源的頻譜特性都作為管理要素，這樣就可以動態(tài)預判共振風險，如果在期間加入一些可控的響應元件，比如說磁流阻尼、主動消音元件；在行駛過程中，通過主動調整避開或快速通過共振頻率帶。這種方法和理念看的我目瞪口呆，太先進了。不過也給我?guī)淼膯⑹?，電機本身就是一個可控的元件，在遇到共振點時，電機人有更便捷的方法快速越過共振點，比如跳頻技術、轉矩脈動動態(tài)補償技術，這一點傳統(tǒng)汽車就沒有這種便利，因為發(fā)電機更難控制。 

小 結：

汽車工程師們自嘲 NVH是門玄學,博大精深。通過對玄學的速覽，發(fā)現(xiàn)了自己是地道的井底之蛙。在我們洋洋得意的曬仿真圖片:”看我把機殼的固有頻率算出來了”時。NVH工程師早就把頻率、阻尼、傳遞函數(shù)玩膩了，在此基礎長，發(fā)展出了完整的方法論體系和工具體系比如：被動減振、主動減振、被動消音、主動消音、動態(tài)阻尼調整、局部剛度優(yōu)化、質量分布優(yōu)化等等，無論在高度還是深度上都領先我們一代認知。