汽车振动噪声与舒适度分析

2020-02-14 00:10:32·  来源:正脉科工 CAE  
 
1引言汽车发明初期,由于发动机的功率都比较低,基本上都是低速行驶,其振动与噪声问题并不十分明显,然而,随着科学技术的发展和社会的进步,发动机功率不断增
1 引言
 
汽车发明初期,由于发动机的功率都比较低,基本上都是低速行驶,其振动与噪声问题并不十分明显,然而,随着科学技术的发展和社会的进步,发动机功率不断增大,高速公路的出现更是促进了车速的快速提高,这就导致了车辆噪声问题的日益突出。车辆噪声不仅会造成环境污染,而且会影响驾驶员行驶的专注程度和车辆的行驶安全,甚至会对车内人员的精神和生理造成危害。所以,多数顾客在选购汽车时都希望汽车的驾驶环境是安静的,乘坐起来是平稳的,能够享受驾驶的乐趣,为此,汽车的振动与噪声性能就显得尤为重要。统计结果显示,汽车的振动与噪声性能和顾客对汽车总体印象评价有直接关系,顾客除了追求传统的低噪声与振动外,对于声音品质的要求也越来越高,于是,汽车的NVH(Noise、Vibration & Harness)性能,即噪声、振动和声振粗糙度性能便成为当前研究的热点。
 
为控制车辆产生的噪声污染,各国相继出台了相关的环保法规和标准,严格限制车辆产生的噪声。我国于1979年出台了机动车噪声允许标准GB1495-1979,2002年在《机动车辆允许噪声》基础上又颁布了GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》,与先前颁布的GB1495-1979相比,GB1495-2002弥补了GB1495-1979的一些缺陷,对测量场地应达到的声学条件加以具体规定。不过,GB1495-2002却只相当于欧洲经济委员会1997年颁布的ECE R51/02《汽车加速行驶车外噪声限值》,2007年,欧洲经济委员会针对机动车辆噪声又制定了新版测试方法,简称ECE R51/03[4],与ECE R51/02相比要求更加严格。
 
由此可见,国内在机动车辆噪声法规制定和实施方面与发达国家存在不小的差距,车辆噪声与振动问题需要进一步加强,汽车的设计水平也有待提高。与国外一些著名的大汽车公司,如德国大众、日本丰田、美国通用等相比,国内汽车厂家在车辆NVH 性能研究方面还存在很大差距,研究不够深入,这也成为制约国产汽车发展的一个重要因素。汽车通常由发动机、底盘、电气设备和车身系统组成,而承载式轿车车身系统是车内乘员的直接载体,主要由钣金件组成,它的设计既要考虑汽车行驶安全性,又要考虑乘坐空间、空气阻力和外型美观等问题,而且车身振动特性及车内噪声特性也直接影响乘客的乘坐舒适性。针对车辆乘坐室内的噪声问题,研究其产生机理,探索车内噪声产生的途径并采取一些方法进行控制,譬如,通过结构修改、敷设阻尼层、附加质量等控制板件的振动辐射噪声,有利于改善车内的声学特性,对提高汽车的市场竞争力有着重大意义。
 
2 汽车NVH概述
 
汽车NVH定义
 
汽车NVH是指汽车的Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(舒适性),主要是研究汽车的噪声和振动对整车性能和舒适性的影响。
 
Noise(噪声)是指引起人烦躁或者音量过强而危害人体健康的声音。汽车噪声不但增加驾驶员和乘员的疲劳,而且影响汽车的行驶安全、增加环境噪声,是城市噪声的主要来源,同时车内噪声会影响乘员间的语言交流。噪声常用声压级评价,其频率范围在20-10kHz。汽车噪声主要包括结构噪声(车身壁板振动产生的噪声)、辐射噪声(如发动机、排气系统、制动器等辐射的噪声)、空气动力噪声(风噪、空气摩擦车身形成的噪声)等。
 
vibration(振动)描述的是系统状态的参量(如位移)在其基准值上下交替变化的过程。汽车低频振动危害驾驶员和乘员的身体健康,同时不良的振动会给汽车零部件带来损坏,影响零部件的寿命。振动是噪声产生的原因,因此,振动噪声的研究是密不可分的。振动常以加速度、速度、位移等参量来描述,其研究频率范围大致在0.5-50OHz。汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、发动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆动等,还有方向盘、仪表板等振动,其频率范围在1-80Hz。
 
Harshness(舒适性)指的是振动和噪声的品质,它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念,而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直接度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒服的感觉,因此有人称Harshness为不平顺性或危害。又因为声粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒服的瞬态响应,也有人称Harshness为冲击特性。总的说来,舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人感到疲劳的程度。
 
汽车NVH特性
 
汽车NVH体现在噪声、振动和舒适性三个方面,它们在汽车中是同时出现且密不可分的,因此常把它们放在一起进行研究。汽车NVH特性是指在汽车车内振动、噪声的作用下,驾驶员和乘员舒适性主观感受的变化特性。它是人体触觉、听觉以及视觉等方面感受的综合表现。简单的说,乘员在汽车中的一切触觉和听觉感受都属于NVH研究的范畴,此外,还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。
根据NVH特性,汽车NVH问题可以用下面表达式2-1和图2-1来描述:
源(激励源)x传递路径(灵敏度)=响应(接收者)                 (2-1)

图 2-1 整车NVH图析
 
汽车NVH研究一般都是依照2-1表达式,从噪声振动舒适性的角度分析车内、外噪声振动产生的机理,即通过接收者(驾驶员、乘员)感受来寻找噪声振动的激励源,再对激励源如何产生噪声振动的机理以及传播途径进行分析研究,找到降噪减振的方法,来降低车内外噪声振动的大小,最终达到提高汽车乘坐舒适性,使其满足顾客、厂家的要求。由于激励源是影响整车NVH性能的根本原因,知己知彼,百战不殆,只有对其激励源及其产生噪声振动的机理熟知,才能找到降低噪声振动的方法。
 
影响汽车NVH性能的主要激励源包括发动机、动力总成、轮胎和路面、空气等,它们产生的振动噪声通过悬架系统、车身结构系统等传递器的作用传入车身和车室内形成振动和声学响应。在不同车速下,主要的噪声振动源也不相同。其中低速行驶时发动机是主要的噪声振动源;汽车中速行驶时,轮胎和路面的摩擦及结构振动是主要的噪声振动源;汽车高速行驶时,车身与空气摩擦、声泄露变成了最主要的噪声源。下面简要介绍这几个激励源。
 
1、发动机
发动机是汽车的心脏,动力的来源。发动机产生动力,推动传动轴系,然后带动车轮前进。同样发动机也是汽车主要的噪声与振动源。发动机的噪声与振动是由不同阶次分量组成的,与它相联系部件的噪声与振动也都与阶次有关,比如进气系统中进气口的噪声、排气系统中尾管的噪声、发动机悬置系统振动的传递等。另外,车内噪声、地板的振动、方向盘上的振动等等也与发动机的阶次有关。
发动机燃烧过程的周期性及部分受力机件的往复运动是构成汽车最主要的噪声振动源,其中发动机噪声主要有三种:燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。发动机总噪声级与发动机的类型、转速、功率、缸径等参数有关。
(1)燃烧噪声是在发动机汽缸中产生的,混合气在气缸内燃烧,并产生的缸内气体压力直接激振发动机结构,引起结构振动,并通过外部和内部传播途径传到发动机表面,由发动机表面辐射形成空气噪声。由此可以看出燃烧噪声是由于气缸内气体压力的变化引起的,它包括由气缸内压力急剧变化引起的动力载荷,以及由冲击波引起气体的高频振动。由气体动力载荷引起的噪声,其强弱程度取决与压力增长率及最高压力增长率持续的时间。燃烧噪声的大小不仅与气缸压力频谱有关,还与发动机的结构衰减特性有关,这是因为噪声是由振动产生的,振动取决于激励力特性和振动系统的结构响应特性。气缸压力级与发动机的噪声声压级差称为衰减量。衰减量反应了发动机本身结构上的固有特性,发动机的有关运转参数如发动机的转速、负荷以及供油系统的调整等对它不会产生根本的影响。发动机的结构衰减表征了结构对激振力响应特性。结构衰减大,噪声就小。
(2)机械噪声是指气体压力和惯性力的作用下,使运动部件产生冲击和振动而激发的噪声,主要有活塞敲击噪声、齿轮啮合噪声、供油系噪声、配气机构噪声、正时系统噪声、辅助系统噪声、不平衡惯性力引起的机体振动与噪声和轴承噪声等。机械噪声是随着转速的提高而增加的,通过机体向外传播。在发动机空气动力性噪声得到有效控制后,高速运转的机械噪声常常是主要噪声源。
(3)空气动力噪声是气体流动(如周期性进气,排气)或物体在空气中运动,空气与物体撞击,引起空气产生的涡流;或者由于空气发生压力突变形成扰动与膨胀(如高压气体向空气中喷射)等而产生的噪声。
 
2、动力总成
动力传动系统的振动源主要有:变速箱、分动器、传动轴、驱动桥、半轴和万向节等。变速箱里面有很多齿轮,通过不同齿轮之间的啮合,传动轴以不同的转速旋转,从而使得车轮的运转速度变化。这些齿轮之间不可能完美啮合,因此,会产生振动。同样在驱动桥内部和分动器中,动力的传递和分配也是靠齿轮啮合进行,同样齿轮啮合不好会产生振动。传动轴和分动器都是旋转运动部件,当轴系的质心与旋转中心线不重合的时候就会产生离心力,而这些额外的离心力会将振动传递到车身上。另外,从变速箱到半轴组成一个整体的系统,当这个系统的弯曲和扭转频率与发动机的激振频率一致的时候,系统会发生共振。当轴系用十字轴式刚性万向节连接时,由于被动轴的角度不均匀,所以会产生2阶振动。
动力传动系统的噪声源有:变速箱、分动器、驱动桥和传动轴等。由于它们的振动均会产生噪声。另外,传动轴在运转过程中也能发出噪声。传动系统是通过轴承和隔振器与车体连接的,因此这些激励源产生的振动通过这些轴承和隔振器传递到车厢内,产生振动和声学响应。车内感觉到的噪声主要有:传动轴系旋转阶次引起的轰鸣声(Boom),与发动机点火阶次有关的呻吟声(Moan),齿轮啮合引起的单频噪声,以及一些碰撞噪声。车内感觉到的振动主要有:车内底板的振动、方向盘的振动和座椅的振动等。
 
3、路面和轮胎
路面激励通过车胎和车轴传递到悬架,通过悬架系统传递到车身,使车身产生振动和声学响应。同时轮胎和路面的摩擦会引起轮胎噪声,当汽车行驶速度超过50km/h时,轮胎噪声就成了行驶车辆噪声中的主要成分。当发动机噪声有所下降时,轮胎噪声就成为主要噪声源。
不同类型的路面对轮胎噪声的影响是不同的,技术人员通过对不同路面与轮胎噪声的关系进行对比测试,分析路面状况对某一车型的轮胎噪声影响如表2-1所示。同种路面的不平度不同对整车的噪声振动影响也是不同的,不平度系数小的路面产生的噪声振动小,相反就大。
表2-1 不同路面对同一车型轮胎噪声的影响

4、空气
风激励一般产生风噪声,是汽车在高速行驶时遇到的主要噪声,风噪声是一种空气动力噪声,汽车在行驶时与气流发生相对运动,气流激扰作用在汽车各处,直接或间接的影响车内噪声。汽车在低速行驶时,车内噪声主要来自发动机和路面一轮胎噪声,风噪声成分小,但当行驶速度超过80km/h时,风噪声逐渐占据主导地位。
 
汽车NVH特性研究的应用
汽车NVH试验研究对于新车型开发和现有车型的性能改善都起着重要的作用。对汽车NVH特性的研究既贯穿于新车型的研发过程,也可以体现在现有车型的改进设计中。
1、在新车型开发过程中的应用
在新车型的研发中,汽车NVH特性研究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性能研究可以分为以下4个阶段:
(1)调研并确定整车目标
通过对政府法规的要求、消费者的要求和竞争车型的NVH性能水平的调研,制定新开发车型的NVH标准。这个阶段一般通过对政府法规要求的查阅,新车型消费者市场问卷调研,同时对竞争车型进行NVH性能目标值测试等手段,来获得所要设计的新车型的NVH性能的目标数据,从而根据这些数据来制定新车型的NVH目标值。
(2)整车仿真分析并匹配子系统目标
根据整车NVH性能目标值来确定各个子系统的性能目标值。子系统一般包括发动机、悬架系统、动力总成悬置系统、车身、座椅和转向系统等。例如:车辆与路面之间产生的振动通过悬架系统传递到车身壁板,使壁板产生振动从而形成车内部噪声。在这个过程中,车身结构和车室内空腔可以通过数学模型来描述,即可以通过建立整车的CAE模型来进行仿真研究。通过CAE仿真,可以将结构实际的道路特性与子系统参数(如悬架刚度等)联系起来,这样就可以根据整车的NVH性能目标值来确定各个子系统的NVH目标值。但要注意,各个子系统目标值的确定要符合试验设计和可靠性设计的要求。
(3)通过元件的结构设计实现子系统和整车的性能目标
在此须完成以下工作:第一,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、焊点位置等。第二,进行各个子系统元件的可靠性设计和多目标优化设计,改善汽车的NVH特性,以确保结构元件的设计方案为最佳。第三,必须满足设计模型条件(如极限尺寸等),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,就可以进行实车试验,试验一般在试验室中或者道路上进行,通过加速度传感器、传声器等对整车的NVH目标值进行检验,从而根据测试产品的性能与设计目标之间的差异,进行必要的调整与修改。
 
2、在现有车型NVH性能改善过程中的应用
(1)对于用户提出的车辆存在的不明的、异常的噪声振动进行测试,给出一定的主客观评价结果。这些工作要求对测量方法和测量仪器的掌握和正确运用。
(2)根据步骤(1)的测试结果,对存在的噪声振动问题有了初步的了解后,进行噪声振动源识别、噪声振动源传递路径分析等试验方案的制定,进行试验分析,分析的试验结果可以与CAE仿真计算的结果进行对比,使得故障诊断和噪声振动源的识别更加准确。
(3)根据测试分析的结果进行有效的工程治理,实施降噪减振,达到客户的要求。实现降噪减振的基本方法:
A、消除振动噪声产生的根源。这涉及到修改产生振动噪声的零部件结构,例如改善其振动特性,避免共振;
B、切断振动噪声传递的路径。涉及到对结构振动传递特性的分析和改进,使之对振动噪声具有明显的衰减作用而不是放大。
 
3. 汽车NVH的发展
传统意义上噪声控制就是降低声音的大小,仅仅考虑声级的大小和频率成分,20世纪80年代后,汽车界开始使用声品质,声品质主导的NVH开发,如发动机的声音、喷气飞机的声调组成或电动剃须刀的声学表现,都体现了声音品质某个方面。对产品声音品质的感知是表征其特点的一个重要因素。声品质不再局限于噪声的削减,塑造恰当的产品声音是一个复杂的任务,产品开发过程涉及多个步骤及工具。
 
被国际学术界广泛认同的完整声品质定义首先由BLAUER给出:“声品质是在特定技术目标或任务内涵中声音的适宜性,声品质中定义的“声”不是指声波这样一个物理事件,是由人耳对声音事件的听觉感知过程,并最终做出的主观判断。”汽车行业中的声品质问题已经由最初的整车、发动机等主要部件的研究,进入各个部件和方面的研究,未来汽车的发展环保、安全、舒适、低成本是主线,而这些主线中NVH性能占据很大比重。统计表明,整车约有三分之一的故障问题是和车辆的NVH问题有关的。良好的NVH匹配不仅能够实现良好的动力学特性也能节省生产成本。
 
20世纪60-70年代,西方各主要汽车公司开始关注汽车的NVH问题,我国NVH研究起步较晚,自主品牌发展到现在只有10多年的时间,从国际NVH水平来看,日本在这方面做得最好,美国也不错,欧洲次之。各国政府在NVH法规方面,并没有过于严格的规定,大多来自于顾客对车辆性能日益苛刻的要求,欧洲法规要求轿车通过噪声小于74DB,中国M2柴油机为77DB,RM1类柴油机机车为75DB。良好的NVH特性可以提高汽车部件由于振动引起的早期失效风险,提高部件的可靠性。相比于国外,我国NVH水平存在着一定的差距。比如空调开时车辆怠速的噪声值,日本、北美车辆为43-45DB,而我国本土车辆往往达到50DB。国产某轻型客车噪声值见图3-1,几款轿车噪声值见图3-2。

图3-1 国产某轻型轿车噪声值

图3-2 几款轿车噪声值
国内企业中NVH能力已达到了一定的水准,如上海通用/泛亚汽车技术中心,有一定的开发能力,其余合资企业在国内的NVH工作主要就是物理试验认证;而国内自主品牌大多处在样车试验改进(通常与国外试验咨询公司合作)阶段,CAE能力及其与试验的糅合仍需加强。
 
其他企业的现状如下:
(1)上汽同济噪声与振动工程中心,同济大学汽车学院的NVH实验室硬件一流,且比较完备,其消声室(带低噪声转毂)为远东最大,达到1200m3,混响室为268m3,测试系统为LMS等主流设备;
(2)奇瑞常规的NVH试验工程及研究与合肥工业大学的噪声振动实验室合作,而针对部分产品的NVH性能提升,主要通过与国外试验咨询公司合作的方式来完成。如: 通过与意大利Prototipo实验公司的合作,针对东方之子与新旗云等车型的NVH方面多个小项目进行改进,提升产品竞争力的同时也大大提高了技术人员的水平。奇瑞已具有4套LMS的振动噪声测试系统等主流设备,成立了NVH科室,CAE方面有专门NVH分析人员;
(3) 一汽的NVH试验能力较早就已建立。其中噪声试验室是按国际标准所建,包括:整车噪声试验室、动力总成噪声试验室。其中整车噪声试验室为半消声室,可以进行整备质量500~12000kg,轴距在2.2~6.5,范围的各类轿车、轻型车、中型卡车、厢式车、大客车等车型的车外、车内噪声试验,动力总成噪声试验;也可以进行最大功率200KW、最大扭矩400N m、最高转速7500r/min的发动机及其动力总成振动噪声试验研究;
(4)二汽NVH方面起步较早,有专门的NVH研究组织,其消声室为6.8m*5.2m*6m,混响室5.6m*6.7m*5.8m。早在1996-1998年,叶志刚曾带领其团队对“乘用车内噪声试验研究分析及控制”做了比较深入的研究,其成果在东风汽车公司乘用车产品开发中得到应用,解决了乘用车车内噪声大的问题,取得了较好的效果。该项目在车身结构分析及控制中创造性应用结构声响感度函数较好地解决了发动机悬架对车内噪声的影响,后获2001年中国汽车工业科学技术进步奖;
(5)重庆长安主要与朗德科技合作,2006年新建立了整车消声室,测试系统亦是用的Head Acoustic等行业内主流设备;
(6)福田由德国Fiast为其建造消声室,测试系统配备有32通道LMS振动模态分析系统、60通道B&K通过噪声测试分析系统和36通道BBM噪声源分析及音质评价分析系统等;
(7)江淮具有常规的NVH性能测试评价的能力,已有2套LMS等主流厂家的振动噪声测试系统; 
(8)吉利硬件方面已有常规的振动噪声测试设备,可以完成常规的试验工作,其研究院亦有专人搞NVH方面的CAE工作,对消声室等大型实验室的筹备工作亦开始了初期调研,对产品NVH性能的改善主要通过与国外专业公司合作来实现。如:在金刚设计开发过程中,专门聘请专业的汽车降噪公司——意大利Alipalia公司SCS技术中心的专业团队进行专项NVH工程处理。近些年来,NVH已经不只是整车厂关注的重点,汽车零部件企业也开始重视零部件的NVH性能开发,如专业生产变速箱的法士特集团已经建成行业领先的消声室,投入精力开发低噪声的变速器产品。总体来说,乘用车 NVH走在前列,商用车也开始建立自己的NVH开发团队,配备了主流的噪声振动测试系统和专业的消声室以及专业的NVH工程人员。
 
4 NVH问题的研究方法
汽车噪声来源主要来自发动机、进排气系统、风扇噪声、传动系统、轮胎噪声、制动噪声、车声结构噪声、气动噪声。各个总成的噪声贡献度要达到合理匹配,NVH的特性研究应该是以整车为研究对象,合理匹配各个系统,要求各个子系统的噪声贡献降到最低。通常对汽车噪声和振动问题进行控制主要理论方法有有限元法、边界元法、统计能量法,有限元法适用分析结构动态特性; 边界元法适合处理噪声的辐射问题; 统计能量法是将一个复杂结构系统或声系统划分成若干耦合的子系统,每个子系统在相应某个频率范围都有若干个共振频率,根据系统的各种参数建立起各个子系统间能量流动的关系。
 
现阶段,计算机仿真分析技术(CAE)在汽车产品设计开发中的应用已相当普遍,大大方便了工程人员对设计机制的理解与把握,提高了设计开发效率,推动产品加速更新换代。然而,CAE分析的置信度是一个“瓶颈”问题,对于机制和模型高度复杂的车辆 NVH 性能,其仿真分析的置信度很难保证。为了解决这个“瓶颈“,通常的做法是将CAE技术与试验测试相结合,通过对比仿真和测试结果的吻合度来确定仿真的有效性。然而,测试结果对于测试流程、条件及环境非常敏感,在很多情况下测试结果本身就具有较大的分散性,为了扭转这种被动局面,国外已有研究者将重点转向“试验可靠性”的提高。
 
另一方面,当前应用领域出现了多种支持NVH仿真分析的CAE软件系统,如ADAMS、SYSNOISE、AUTOSEA、LMS等。基于不同内核技术的软件系统,其处理问题的适用范围各有侧重。为确保仿真分析的置信度,应充分考虑具体问题的特点而合理选择软件工具。例如:声振耦合有限元技术主要适用于低频范围,是分析车内低频结构辐射噪声(Booming)的有效工具; 而统计能量法则更适合于模态密集的中、高频段噪声分析,等等。值得注意的是,为完善仿真分析所必需的基础数据条件,国外汽车工程界进行了不懈的努力。目前已有机构建立了车内噪声数据库系统,能够覆盖15种车型的典型行驶工况,从而有效地支持了仿真分析过程并有助于确保其置信度。
 
5 汽车NVH控制与改善措施
噪声的控制主要有主动措施和被动措施两方面:主动措施要求从噪声源头降低噪声,如改进机械结构,提高激振频率,降低发动机低速噪声,同时提高零部件的加工精度和装配质量,减少运动噪声,改善部件的悬挂系统,阻断振动传递,改进车身结构、提高刚度、提高一阶模态,减少局部模态数量等; 被动措施要求要好的吸音、吸振、密封、隔音、隔振、阻尼材料。迄今为止,阻尼、吸声材料及结构在汽车噪声控制领域获得了极为广泛的应用,例如: 阻尼涂层,泡沫材料,约束层阻尼结构,内饰吸声表面,以及最近出现的ABA隔热墙衬垫,等等。这些已成为改善车辆NVH性能最主要的工程处理手段。
 
6结束语
长期以来,主要发达国家对汽车噪声控制问题给予了高度重视,积累了较为丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验。然而,由于问题的复杂性,该领域目前仍然存在着大量的理论和技术空白,其中有许多是世界性的难题。国内汽车行业应当充分把握这一时机,在跟踪、学习国外先进技术以形成“后发优势”的同时,通过自主创新力求在短期内取得某些方面的率先突破,从而带动汽车噪声控制技术的整体跨越式发展。 
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