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面向NVH性能的汽车轻量化设计
2019-05-26 23:25:56· 来源：易萌森戈CAE工作室
车辆的NVH是指在车辆工作条件下乘员感受到的噪声（Noise）、振动Vibration）和声振粗糙度（Harshness）。NVH是衡量汽车性能的一个综合性指标，给汽车乘员的感受
车辆的 NVH 是指在车辆工作条件下乘员感受到的噪声（Noise）、振动Vibration）和声振粗糙度（Harshness）。NVH 是衡量汽车性能的一个综合性指标，给汽车乘员的感受是最直接和最表面的。其中，声振粗糙度指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观测量方法来度量（也有学者将 Harshness 称为不平顺性，或者冲击性等）。 噪声、振动和声振粗糙度（NVH）是汽车设计中越来越重要的因素，这也使人们不断完善汽车设计。振动始终是与可靠性和质量相关的重要问题，噪声对汽车使用者和周围环境的影响也越来越重要。声振粗糙度与振动和噪声的瞬态性质密切相关，也与汽车的性能有紧密的关系。汽车振动与噪声的控制对设计人员提出严峻的挑战，因为与许多机械系统不同，汽车有多处振动和噪声源，并且这些振动和噪声源相互作用，随汽车的行驶速度发生变化。尤其是现在原材料价格不断上升，更加重视汽车的轻量化研究，并且发动机转速更高，以降低油耗和提高发动机的性能，这也同时会增大汽车的噪声和振动，对汽车工程师提出许多新问题。噪声和振动问题的解决有助于缩短新车投放市场的周期。随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，各国对汽车噪声的要求越来越严格，改善车辆内部声学环境，降低车内噪声水平，是各国政府和汽车生产厂家共同关心的问题。车内噪声过大将严重影响汽车的乘坐舒适性、会话清晰度以及驾驶员对各种信号的识别能力。轻量化车身设计过程中，随着高强度薄壁钢板的大量使用，一个突出的问题是可能导致局部振动特性和车内噪声水平恶化。因此，有必要对轻量化前后车身结构的 NVH 特性进行评价。
1、 汽车的 NVH 性能和 NVH 技术的发展
随着发动机功率不断提高，噪声与振动也随之增加，政府法规对通过噪声的要求也越来越严格。表 1 表示不同时期欧盟对通过噪声的限制要求，1970 年的 82 dB（A）到 1995 年的74 dB（A），噪声降低了 8 dB（A）。
表1 欧盟不同时期通过噪声标准（乘用车）
在制定一辆汽车的噪声与振动指标时，要考虑 4 方面的因素。第一是政府法规。目前，主要发达国家政府对于噪声和振动的法规是通过噪声标准。在欧洲，通过噪声的标准是不超过 74 dB（A）；在美国，通过噪声标准是小于78 dB（A）。第二是消费者要求。在汽车开发之前，汽车厂商都会进行市场调查，了解市场上需要什么样的车，噪声与振动水平怎么样。在汽车开发过程中，都是以满足消费者的需求为中心的。第三是竞争对手的车。如果确定了将要开发的车在市场中的定位，就可以与竞争对手的相似车型进行对比测试分析，使得新产品在市场中更具竞争力。第四是公司的技术能力。不同的汽车厂商会根据自己研发实力、设备水平以及自身产品的实际情况制定相应的 NVH 设计目标。
当这 4 方面的要求都满足时，就可以制定整车层次的噪声与振动目标，包括驾驶员和乘员耳朵处的噪声大小、转向盘的振动、地板的振动以及座椅的振动。然后将整车振动目标分解，首先是分解到系统层次，如动力系统、车身系统等；然后继续分解到子系统，如将动力系统目标分解到发动机子系统、进气子系统、排气子系统等；最后将子系统噪声与振动目标分解到零部件，如将排气系统目标分解到消声器的传递损失、挂钩隔振器的传递率等。
汽车的噪声与振动有两个特点：一是与发动机的转速和汽车行驶速度有关；二是不同的噪声振动源有不同的频率范围。图1所示为汽车噪声振动源与行驶速度的关系。低速时，发动机是主要噪声振动源；中速时，轮胎与路面的摩擦是主要噪声振动源；高速时，车身与空气之间的摩擦变成了最主要的噪声源。图2 所示为噪声振动源与频率的关系。低频时，发动机是主要噪声振动源，路面与轮胎摩擦和车身与空气摩擦的贡献随着频率增加而增加；中频时，变速箱和风激励噪声占主导成分；高频时，主要考虑的问题是说话和听话的声音是否清晰，即所谓的声品质问题。
图1汽车振动噪声与车速的关系
图2汽车振动噪声与频率的关系
2、 汽车噪声与振动的主要问题
车内噪声产生的机理如图3
图3车内噪声机理
图3的声源包括发动机噪声、底盘噪声及气体流动噪声等。这些声源所辐射的噪声在车身周围形成一个不均匀声场。声场中的噪声向车内传播的途径主要有两个：一是通过车身壁板及门窗上所有的孔、缝直接传入车内；二是车外噪声声波作用于车身壁板，激发壁板振动，向车内辐射形成噪声。
图4各种声源和振动的传递路径
3、 汽车 NVH 设计思路
为了保持竞争性，在设计开始时确认和控制汽车设计体系结构是非常关键的——建立具有挑战性的 NVH 目标，设计最理想的体系结构，并且一直坚持完善。要做到这些，需要遵循系统工程学方法，运用层叠图表去引导发展目标的设定，将优化对象的汽车水平目标与系统及系统组成部件的目标联系起来。
在设计过程中，遵循以下设计原则：
① 运用 NVH 流程表追踪引导设计。
② 任何时候都首先要对激励源进行准确的定位。
③ 避免与主模态共振。
④ 运用激励源——传递路径——响应器的流程方案。
4、 汽车NVH设计步骤
汽车 NVH 特性的研究既可以贯穿于新车型的研发过程，也可以在现有车型的改进设计中起到重要作用。它可以看作是建立在计算机仿真分析基础之上的、以汽车 NVH 特性为设计目标的一种设计方法。在整车研发过程中，NVH特性的研究可以分为以下 4 个阶段
（1）确定整车设计标准。
根据市场现有同类型汽车的 NVH 性能水平设定新车型的 NVH 标准。
（2）利用计算机仿真分析整车各相关子系统设计目标。
根据整车 NVH 性能目标的要求确定悬架系统、发动机悬置系统、车身、座椅和转向系统等子系统的性能标准。例如，车轮与路面之间产生的振动通过悬架系统传递到车身并激励车身壁板振动形成车室内部的噪声。在这个过程中，车身结构和空腔以及前、后悬架的动特性与车室内部噪声之间复杂的动态关系可以通过数学模型来描述，即要建立整车的CAE模型并进行仿真研究。利用仿真结果将实际的道路特性与子系统参数（如悬架动刚度等）联系起来，就可以根据整车的 NVH 性能目标确定各个子系统的 NVH 目标（图5）。同时，各子系统目标的确定也要符合试验设计和可靠性设计的要求。
图5各个子系统的NVH目标
（3）通过元件的结构设计实现子系统和整车的性能目标。
在实现性能目标的设计阶段必须完成以下工作：
① 确定每个元件的详细特征。这些特征可能在以前的建模分析中没有表现出来，如连接孔、工艺孔、焊点位置等。
② 进行各子系统元件的可靠性设计和多目标优化设计， 改善汽车 NVH特性，以确保结构元件的设计方案为最佳。
③ 进行极限工况的校核（如悬架撞击） 。
（4）样车的试验与调整。
生产出样车后，就可以在实验室中或道路上进行试验。一般是用三向加速度传感器测量人与车接触面之间的振动信号， 用传声器测量乘员耳旁的噪声信号，以测试产品的性能与设计目标之间的差异，从而进行必要的调整与修改。
5、 面向 NVH 性能的轻量化设计思路
轻量化过程是现在大部分汽车产品都必须执行的重要工作。然而，随着轻量化技术的普及和深入发展，改进后的汽车产品可能会暴露出一些新的问题。轻量化技术的主要研究对象是车身结构及零部件的结构、材料和工艺。
（1）以模态频率为约束的结构优化设计
模态分析可定义为对结构动态特性的解析分析和试验分析。其结构动态特性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量；在试验方面则是试验测得的系统的极点（固有频率和阻尼）和振型（模态向量）。然而，随着模态分析专题研究范围的不断扩展，从系统识别到结构灵敏度分析以及动力修改等，模态分析技术已被广义地理解为包括力学系统动态特性的确定以及与其应用有关的大部分领域。对于 NVH性能而言，汽车结构的模态是非常重要的指标，它关系到结构动态特性、敏感频率、传递特性等诸多重要问题。在汽车 NVH 设计中，通常通过计算或测量来描绘汽车整车或零部件的固有频率图，以了解其固有特性，避免汽车在使用过程中产生共振而影响其 NVH 性能。图6所示为典型的汽车整车固有频率分布。
图6
（2）面向声固耦合现象的车身结构优化设计
汽车内部是由车身壁板围成的一个封闭空间，充满空气，与任何结构系统一样，它拥有模态频率和模态振型，即声腔模态，图7 所示为声腔有限元模型。声腔模态不同于结构模态以位移分布为特征，它是以压力分布来衡量的。声腔模态频率是声学共鸣频率，在该频率处车内空腔产生声学共鸣，压力被放大。声波在某一声学模态频率下，在车内空腔传播时，入射波与空腔边界形成的反射波相互叠加或者相互抵消，从而在不同位置产生不同的声压。
图7声腔模型
汽车内部声腔模态因尺寸、空间和容积等而不同。轿车的第一阶声腔模态，一般为 40～80 Hz，而 MPV 车、微型车和 SUV 车则要低一些。同时，声腔模态与频率的立方成正比，模态密度随着频率的增加而急剧增加，而我们重点关注的声腔模态一般是在 200 Hz 以内的。
3. 面向声辐射特性的板结构优化设计
声腔和车身结构振动模态的强耦合随着频率的增加而减弱，随着频率的增加，每一块板结构的振动与相邻板的振动联系逐渐降低，高频时基本上是单独作用。振动与声腔声场的耦合通常使用板的声辐射系数来评价。板类结构的声辐射是经典的声学问题。声辐射物理现象可以通过波动的概念来表述。均匀平板结构受到垂向激励振动，在结构中产生弯曲弹性波向四周扩散传播。弯曲弹性波的波速与结构的材料、形状和激励频率都有关系。因此，在进行薄板件的轻量化设计时，应合理控制截面形状和尺寸，控制板件的辐射噪声。
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