实现无声的艺术 NVH真有那么玄？

2016-12-23 by:CAE仿真在线来源:互联网

NVH :噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文缩写。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题,它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。

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车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统计资料显示,整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系,而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。

NVH特性研究在改进汽车乘坐舒适性中的应用

NVH特性的研究不仅仅适用于整个汽车新产品的开发过程,而且适用于改进现有车型乘坐舒适性的研究。这是一项针对汽车的某一个系统或总成进行建模分析,找出对乘坐舒适性影响最大的因素,通过改善激励源振动状况(降幅或移频)或控制激励源振动噪声向车室内的传递来提高乘坐舒适性。

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汽车动力总成悬置系统的隔振研究以及发动机进排气噪声的研究是改善整车舒适性的重要内容,动力总成液压悬置系统的发展与完善使这一问题得到较好的解决。悬架系统和转向系统对路面不平度激励的传递和响应对驾驶员及乘客的乘坐舒适性有很大影响,分析悬架系统的动力学特性可以改善它的传递特性,减少振动和噪声;通过对转向操纵机构和仪表板进行有限元分析,可以使转向柱管、方向盘的固有频率移出激励频率范围并保证仪表板的响应振幅最小。汽车制动时产生的噪声严重影响了车室内乘员的舒适性,实验证明制动噪声主要是由于制动器摩擦元件磨损不均匀造成的,通过对制动盘等元件进行有限元分析以及它的磨损特性对产生噪声的影响等问题的研究,可以改善制动工况下的整车NVH特性。另外,随着车速的不断提高,高速流动的空气与车身撞击摩擦产生的振动噪声已经成为车室噪声的重要来源。

汽车在使用一段时间之后,一些元件(如传动系的齿轮、联轴节、悬架中的橡胶衬套、制动器中的制动盘等)的磨损将对整车的NVH特性产生重要影响,它们的强度、可靠性和灵敏度分析是研究整车特性的重要工作,这也就是所谓高行驶里程下汽车NVH特性的研究。

对于汽车而言,NVH问题是处处存在的,根据问题产生的来源又可分为发动机NVH、车身NVH和底盘NVH三大部分,进一步还可细分为空气动力NVH、空调系统NVH、道路行驶NVH、制动系统NVH等等。声振粗糙度又可称为不平顺性或冲击特性,与振动和噪声的瞬态性质有关,描述了人体对振动和噪声的主观感受,不能直接用客观测量方法来度量。乘员在汽车中的舒适性感受以及由于振动引起的汽车零部件强度和寿命问题都属于NVH的研究范畴。从NVH的观点来看,汽车是一个由激励源( 发动机、变速器等)、振动传递器(由悬架系统和连接件组成)和噪声发射器(车身)组成的系统。汽车NVH特性的研究应该以整车作为研究对象, 但由于汽车系统极为复杂,因此,经常将它分解成多个子系统进行研究,如发动机子系统(包括动力传动系统)、底盘子系统(主要包括悬架系统)、车身子系统等。

NVH问题是系统性的。例如有些轿车行驶时车厢噪声大,查源头在发动机,那么这一个噪声问题可能就涉及到三个部分,一个是发动本身的噪声大,一个是发动机悬置部件减振效果差,一个是车厢前围和地板隔音技术不好,是一个互相关连的系统问题。

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当遇到车厢噪声大时,人们一般考虑加强车厢隔音技术和材料,而对真正的噪声发生源-发动机则是无能为力,这只能是“亡羊补牢”,无法从根本上解决问题。但如果运用NVH解决方案,就会涉及发动机、悬置及车架等,从根本上减少噪声产生的来源。因此,NVH问题实质是汽车设计中要解决的问题,而不是汽车进入市场后要解决的问题。

汽车的发动机和车身都通过弹性元件支承在车桥和轮胎上,构成一个弹性振动系统,整个系统按照各总成部件又分成多个“弹性振动子系统”。当汽车因路面凸凹不平、发动机及传动系抖动或车轮不平衡而受激振动时,各“弹性振动子系统”发生振动且互相关联。

振动是噪声产生的根源之一,行驶时振动大的车辆往往噪声也大。因此,从汽车NVH问题的角度看,解决噪声不能头痛治头,脚痛治脚,而应该考虑到整车其他方面的问题,例如要考虑到车身、发动机、轮胎、弹性支承等诸方面。

NVH零部件生产

随着专业化分工,整车制造企业已经逐渐将大部分零部件交给零部件生产企业来做。盛行的“模块化”生产方式把汽车装配生产线上的部分装配劳动转移到装配生产线以外的地方去进行。这样,零部件生产企业必然遇到NVH问题。设计者考虑的问题也不单纯是零部件的本身,而是零部件与零部件之间,零部件与整车之间的关系。

例如在解决车身NVH问题上,长春某公司产品具有国内较先进的产品研发及其生产技术,同时可以协同各汽车厂商开展同步开发工作。

例如在解决发动机NVH问题时,CooperStandard发动机公司为了获得更好的降噪效果,对发动机做降噪处理外,还对车辆的发动舱、车厢内部设计结构都进行了声学研究,以求最好的解决方案。轮胎也是噪声的主要来源之一,一些厂商除选用低噪声轮胎外,对车轮罩衬垫进行声学特性设计,使其起阻隔噪声的作用。

研究和评价

研究汽车的NVH特性首先必须利用CAE技术建立汽车动力学模型,已经有几种比较成熟的理论和方法。

多体系统动力学方法

将系统内各部件抽象为刚体或弹性体,研究它们在大范围空间运动时的动力学特性。在汽车NVH特性的研究中,多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统、转向传动系统低频范围的建模与分析。

有限元方法(FEM)

是把连续的弹性体划分成有限个单元,通过在计算机上划分网格建立有限元模型,计算系统的变形和应力以及动力学特性。由于有限元方法的日益完善以及相应分析软件的成熟,使它成为研究汽车NVH特性的重要方法。一方面,它适用于车身结构振动、车室内部空腔噪声的建模分析;另一方面,与多体系统动力学方法相结合来分析汽车底盘系统的动力学特性,其准确度也大大提高。

边界元方法(BEM)

与有限元方法相比,边界元方法(BEM)降低了求解问题的维数,能方便地处理无界区域问题,并且在计算机上也可以轻松地生成高效率的网格,但计算速度较慢。对于汽车车身结构和车室内部空腔的声固耦合系统也可以采用边界元法进行分析,由于边界元法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点,因此正在得到广泛的应用。

统计能量分析(SEA)方法

以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析(SEA)方法是将系统分解为多个子系统,研究它们之间能量流动和模态响应的统计特性。它适用于结构、声学等系统的动力学分析。对于中高频(300HZ)的汽车NVH特性预测,如果采用FEM或BEM建立模型,将大大增加工作量而且其结果准确度并不高,因此这时采用统计能量分析方法是合理的。有人利用SEAM软件对某皮卡车建立了SEA模型,分析了它在250Hz以上的NVH特性并研究了模型参数对它的影响,得到令人满意的结果。

控制措施

汽车振动和噪声的产生并不是相互独立,而是紧密联系的。可以说,噪声源于振动,振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的。既要减小振动、降低噪声,又要提高乘坐舒适性、保证产品的安全性、环保性以及使用性能。

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要改善汽车的NVH特性,首先是对其振动源和噪声源的控制。这就需要改善产生振动和噪声的零部件的结构,改善其振动特性,避免产生共振;改进旋转元件的平衡;提高零部件的加工精度和装配质量,减小相对运动元件之问的冲击与摩擦;改善气体或液体流动状况,避免形成涡流;改善车身结构,提高刚度;施加与噪声源振幅相当而相位相反的声音等。其次要控制振动和噪声传递的途径。

这就需要对结构的振动和噪声传递特性进行分析并改进,使之对振动和噪声具有明显的衰减作用而不是放大;优化对发动机悬置的设计,降低发动机向车身传递的振动;对悬架系统进行改进,阻断振动的传递;采用适合于平面振动的阻尼材料、适合于旋转轴类的扭振减振器以及针对其它线振动的质量减振器;分析和改进结构,特别是车身的密封状况,提高密封性能;各种吸音材料、隔音材料和隔音结构的研究及应用,提高汽车内部的吸音和隔音性能等。

为了质感的提升浅谈汽车NVH开发与设计

来源:汽车之家编辑:张戈

NVH的定义、实验室和意义

如果把双眼盖住,在看不到品牌和外观的情况下让您判断一辆车的好坏,您将采取怎样的标准?我想声音、振动以及车辆行驶中的平顺性应该是很多人十分看重的,而这三个因素就组成了今天的话题,那就是NVH。如果您对于这三个字母还比较陌生,那么来看这篇文章就对了。

为了更好地了解这方面内容,我们来到了长安汽车工程研究总院,之所以选择这里,是因为长安目前有着超过200人的全国最大NVH研发团队,同时拥有达到世界水准的NVH实验室,并与现任长安汽车工程研究总院副院长和总工程师庞剑博士进行了交流。

什么是NVH?

NVH是三个英文单词的缩写,即Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度,也可以通俗地理解为不平顺性)。由于以上三者在汽车等机械振动中是同时出现且密不可分,因此常把它们放在一起进行研究。简单地讲,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。

车辆的噪声源主要包括:发动机,排气系统,高速行驶时的风噪声、轮胎噪声、以及其它任何运动的部件都有可能发出噪声。车辆的振动源主要包括:发动机,传动系统,不平的路面等。由于声音是由物体振动产生的,所以噪音和振动往往不是单独出现的。从NVH的观点来看,汽车是一个由激励源(产生噪音与震动的源头,如发动机、变速器等)、振动传递器(由悬挂系统和边接件组成)和噪声发射器(车身)组成的系统。汽车NVH特性的研究应该是以整车作为研究对象的,但由于汽车系统极为复杂,因此常将它分解成几个子系统进行研究,如底盘子系统(主要包括前/后悬架系统)、车身子系统等,也可以研究某一个激励源产生的或某一工况下的NVH特性。

当然,对于NVH的概念和标准不能“一刀切”。比如购买家用车或者豪华轿车的消费者通常希望车辆在行驶中车厢内能够尽量安静,振动较小,同时运转平顺;但对于高性能车款甚至是超级跑车的消费者而言,洪亮的排气声浪、铿锵顿挫的换挡感受以及直接传入车内的路面颠簸在很多人眼中都变成了“驾驶乐趣”。

NVH研发在哪里进行?

其实答案很简单,就是NVH实验室,不过这个实验室并不是普通的实验室。以长安为例,由16个子实验室组成的振动噪声实验室均达到了国际上的先进标准。其中,半消声实验室用于测试静态噪声大小,由德国朗德提供消声技术的实验室内环境音量只有18分贝,在这样的环境里人耳会有一种不舒服压迫感,因为只有在很安静的环境内才能识别出车上的声音,而在自然界中这种环境并不存在。一般来说街面上的音量约为60、70分贝,办公室约为40、50分贝。为防止外界的震动对试验的影响,实验室的地基不是刚性连接的,并抵抗8级地震。

除了对整车NVH进行测试,半消声实验室同时承担着测试通过噪声的任务。国家法规规定的通过噪声标准是74分贝,如不通过法规则无法上市销售。在测试中通过分布在一侧的收音器进行测试,以此来模拟接收车辆驶过不同距离时的声音。

为何进行NVH开发?

通过调查和研究,我们可以知道,NVH是消费者选择购买汽车的一项非常重要的因素,据庞剑博士介绍,在购车后的满意度方面,在所有汽车用户不满意的问题中,约有1/3的问题与NVH有关;同时,1/5的售后问题与NVH有关。而对于消费者而言,由于噪音、震动、平顺性感受等直接决定了一辆车的“质感”,所以NVH的开发设计,就是为了车辆质感的提升。

另外,早期的自主品牌轿车在NVH方面做得不尽如人意,用户在使用过程中感到噪音和振动偏大,同时在开关门的声音和质感方面感受也差强人意。不过随着自主品牌的日渐成熟,同时很多厂家希望将品牌价值提升至新的高度,NVH对于车辆品质提升的重要性成为了自主品牌普遍的共识。

NVH的开发过程和成果

怎样进行NVH开发?

厂家在车型项目上马的同时,就会同步进行NVH的开发,通过与市场部一起做市场调研,开发的过程一般需要3年,主要分为五个步骤:

一、项目启动(厂家称之为KO):研发初期,设定对标车型,即寻找关注度高的同级别车型作为目标对手,先全方位测量其整车的数据,制定整车的NVH目标;

二、将对标车型解体,并测量车身刚度,供进行车身部分NVH开发的使用;

三、对于对标车辆按照车身、动力系统、底盘和悬架系统、空调系统以及电子系统等大类进行测量,并分成零部件设定目标。全车NVH可以划分出1000多个目标,并且要做到每部分的目标都是可控的。

四、将这些目标数据提供给配套厂和材料供应商,要求其提供达到标准的零部件。

五、得到零部件后,将其组装成大类系统进行系统的NVH实验,在系统实验通过后,进行整车的实验与调整。

以上就是NVH开发的全部过程,通俗地讲,就是总(对标整车)→分(系统和部件)→总(我方整车)的过程。

做好NVH有什么好处?

这个问题似乎不是很专业,但却是与消费者和用户关系最密切的。厂家投入大量成本进行NVH的开发和设计,作为消费者,我们得到了什么?

答案就是整车的舒适性。据厂家介绍,长安在悦翔之后所有车型都开始注重NVH的开发。怠速噪声是比较有代表性的,目前的逸动、CS35车型在怠速时的噪声为38分贝,睿骋37分贝。在NVH方面,长安表示其水平已经与天籁、凯美瑞处同一级别,普遍优于同级别美系和德系车型,消费者在驾驶车辆中,便可以感受到车辆宁静和平顺带来的舒适感受。

编辑总结:

通过对长安振动噪声实验室的走访,使我们初步地了解了NVH开发的过程,以及在整车研发中所处的地位。可以说,一辆车的舒适性与NVH是密不可分的,当我们驾驶或者乘坐在舒适的轿车中惬意地旅行时,这样的车内环境是由上千个开发和实验项目,经历了千百次地测试造就的;同时,由于对NVH开发的重视程度日渐提高,我们也确实感受到了自主品牌车辆在“质感”方面的进步。

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