實現(xiàn)無聲的藝術(shù) NVH真有那么玄？

2016-12-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

NVH :噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文縮寫。這是衡量汽車制造質(zhì)量的一個綜合性問題,它給汽車用戶的感受是最直接和最表面的。

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車輛的NVH問題是國際汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關(guān)注的問題之一。有統(tǒng)計資料顯示,整車約有1/3的故障問題是和車輛的NVH問題有關(guān)系,而各大公司有近20%的研發(fā)費用消耗在解決車輛的NVH問題上。

NVH特性研究在改進汽車乘坐舒適性中的應(yīng)用

NVH特性的研究不僅僅適用于整個汽車新產(chǎn)品的開發(fā)過程,而且適用于改進現(xiàn)有車型乘坐舒適性的研究。這是一項針對汽車的某一個系統(tǒng)或總成進行建模分析,找出對乘坐舒適性影響最大的因素,通過改善激勵源振動狀況(降幅或移頻)或控制激勵源振動噪聲向車室內(nèi)的傳遞來提高乘坐舒適性。

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汽車動力總成懸置系統(tǒng)的隔振研究以及發(fā)動機進排氣噪聲的研究是改善整車舒適性的重要內(nèi)容,動力總成液壓懸置系統(tǒng)的發(fā)展與完善使這一問題得到較好的解決。懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對路面不平度激勵的傳遞和響應(yīng)對駕駛員及乘客的乘坐舒適性有很大影響,分析懸架系統(tǒng)的動力學特性可以改善它的傳遞特性,減少振動和噪聲;通過對轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)和儀表板進行有限元分析,可以使轉(zhuǎn)向柱管、方向盤的固有頻率移出激勵頻率范圍并保證儀表板的響應(yīng)振幅最小。汽車制動時產(chǎn)生的噪聲嚴重影響了車室內(nèi)乘員的舒適性,實驗證明制動噪聲主要是由于制動器摩擦元件磨損不均勻造成的,通過對制動盤等元件進行有限元分析以及它的磨損特性對產(chǎn)生噪聲的影響等問題的研究,可以改善制動工況下的整車NVH特性。另外,隨著車速的不斷提高,高速流動的空氣與車身撞擊摩擦產(chǎn)生的振動噪聲已經(jīng)成為車室噪聲的重要來源。

汽車在使用一段時間之后,一些元件(如傳動系的齒輪、聯(lián)軸節(jié)、懸架中的橡膠襯套、制動器中的制動盤等)的磨損將對整車的NVH特性產(chǎn)生重要影響,它們的強度、可靠性和靈敏度分析是研究整車特性的重要工作,這也就是所謂高行駛里程下汽車NVH特性的研究。

對于汽車而言,NVH問題是處處存在的,根據(jù)問題產(chǎn)生的來源又可分為發(fā)動機NVH、車身NVH和底盤NVH三大部分,進一步還可細分為空氣動力NVH、空調(diào)系統(tǒng)NVH、道路行駛NVH、制動系統(tǒng)NVH等等。聲振粗糙度又可稱為不平順性或沖擊特性,與振動和噪聲的瞬態(tài)性質(zhì)有關(guān),描述了人體對振動和噪聲的主觀感受,不能直接用客觀測量方法來度量。乘員在汽車中的舒適性感受以及由于振動引起的汽車零部件強度和壽命問題都屬于NVH的研究范疇。從NVH的觀點來看,汽車是一個由激勵源( 發(fā)動機、變速器等)、振動傳遞器(由懸架系統(tǒng)和連接件組成)和噪聲發(fā)射器(車身)組成的系統(tǒng)。汽車NVH特性的研究應(yīng)該以整車作為研究對象, 但由于汽車系統(tǒng)極為復雜,因此,經(jīng)常將它分解成多個子系統(tǒng)進行研究,如發(fā)動機子系統(tǒng)(包括動力傳動系統(tǒng))、底盤子系統(tǒng)(主要包括懸架系統(tǒng))、車身子系統(tǒng)等。

NVH問題是系統(tǒng)性的。例如有些轎車行駛時車廂噪聲大,查源頭在發(fā)動機,那么這一個噪聲問題可能就涉及到三個部分,一個是發(fā)動本身的噪聲大,一個是發(fā)動機懸置部件減振效果差,一個是車廂前圍和地板隔音技術(shù)不好,是一個互相關(guān)連的系統(tǒng)問題。

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當遇到車廂噪聲大時,人們一般考慮加強車廂隔音技術(shù)和材料,而對真正的噪聲發(fā)生源-發(fā)動機則是無能為力,這只能是“亡羊補牢”,無法從根本上解決問題。但如果運用NVH解決方案,就會涉及發(fā)動機、懸置及車架等,從根本上減少噪聲產(chǎn)生的來源。因此,NVH問題實質(zhì)是汽車設(shè)計中要解決的問題,而不是汽車進入市場后要解決的問題。

汽車的發(fā)動機和車身都通過彈性元件支承在車橋和輪胎上,構(gòu)成一個彈性振動系統(tǒng),整個系統(tǒng)按照各總成部件又分成多個“彈性振動子系統(tǒng)”。當汽車因路面凸凹不平、發(fā)動機及傳動系抖動或車輪不平衡而受激振動時,各“彈性振動子系統(tǒng)”發(fā)生振動且互相關(guān)聯(lián)。

振動是噪聲產(chǎn)生的根源之一,行駛時振動大的車輛往往噪聲也大。因此,從汽車NVH問題的角度看,解決噪聲不能頭痛治頭,腳痛治腳,而應(yīng)該考慮到整車其他方面的問題,例如要考慮到車身、發(fā)動機、輪胎、彈性支承等諸方面。

NVH零部件生產(chǎn)

隨著專業(yè)化分工,整車制造企業(yè)已經(jīng)逐漸將大部分零部件交給零部件生產(chǎn)企業(yè)來做。盛行的“模塊化”生產(chǎn)方式把汽車裝配生產(chǎn)線上的部分裝配勞動轉(zhuǎn)移到裝配生產(chǎn)線以外的地方去進行。這樣,零部件生產(chǎn)企業(yè)必然遇到NVH問題。設(shè)計者考慮的問題也不單純是零部件的本身,而是零部件與零部件之間,零部件與整車之間的關(guān)系。

例如在解決車身NVH問題上,長春某公司產(chǎn)品具有國內(nèi)較先進的產(chǎn)品研發(fā)及其生產(chǎn)技術(shù),同時可以協(xié)同各汽車廠商開展同步開發(fā)工作。

例如在解決發(fā)動機NVH問題時,CooperStandard發(fā)動機公司為了獲得更好的降噪效果,對發(fā)動機做降噪處理外,還對車輛的發(fā)動艙、車廂內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)都進行了聲學研究,以求最好的解決方案。輪胎也是噪聲的主要來源之一,一些廠商除選用低噪聲輪胎外,對車輪罩襯墊進行聲學特性設(shè)計,使其起阻隔噪聲的作用。

研究和評價

研究汽車的NVH特性首先必須利用CAE技術(shù)建立汽車動力學模型,已經(jīng)有幾種比較成熟的理論和方法。

多體系統(tǒng)動力學方法

將系統(tǒng)內(nèi)各部件抽象為剛體或彈性體,研究它們在大范圍空間運動時的動力學特性。在汽車NVH特性的研究中,多體系統(tǒng)動力學方法主要應(yīng)用于底盤懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)低頻范圍的建模與分析。

有限元方法(FEM)

是把連續(xù)的彈性體劃分成有限個單元,通過在計算機上劃分網(wǎng)格建立有限元模型,計算系統(tǒng)的變形和應(yīng)力以及動力學特性。由于有限元方法的日益完善以及相應(yīng)分析軟件的成熟,使它成為研究汽車NVH特性的重要方法。一方面,它適用于車身結(jié)構(gòu)振動、車室內(nèi)部空腔噪聲的建模分析;另一方面,與多體系統(tǒng)動力學方法相結(jié)合來分析汽車底盤系統(tǒng)的動力學特性,其準確度也大大提高。

邊界元方法(BEM)

與有限元方法相比,邊界元方法(BEM)降低了求解問題的維數(shù),能方便地處理無界區(qū)域問題,并且在計算機上也可以輕松地生成高效率的網(wǎng)格,但計算速度較慢。對于汽車車身結(jié)構(gòu)和車室內(nèi)部空腔的聲固耦合系統(tǒng)也可以采用邊界元法進行分析,由于邊界元法在處理車室內(nèi)吸聲材料建模方面具有獨特的優(yōu)點,因此正在得到廣泛的應(yīng)用。

統(tǒng)計能量分析(SEA)方法

以空間聲學和統(tǒng)計力學為基礎(chǔ)的統(tǒng)計能量分析(SEA)方法是將系統(tǒng)分解為多個子系統(tǒng),研究它們之間能量流動和模態(tài)響應(yīng)的統(tǒng)計特性。它適用于結(jié)構(gòu)、聲學等系統(tǒng)的動力學分析。對于中高頻(300HZ)的汽車NVH特性預測,如果采用FEM或BEM建立模型,將大大增加工作量而且其結(jié)果準確度并不高,因此這時采用統(tǒng)計能量分析方法是合理的。有人利用SEAM軟件對某皮卡車建立了SEA模型,分析了它在250Hz以上的NVH特性并研究了模型參數(shù)對它的影響,得到令人滿意的結(jié)果。

控制措施

汽車振動和噪聲的產(chǎn)生并不是相互獨立,而是緊密聯(lián)系的。可以說,噪聲源于振動,振動、噪聲和舒適性這三者是密切相關(guān)的。既要減小振動、降低噪聲,又要提高乘坐舒適性、保證產(chǎn)品的安全性、環(huán)保性以及使用性能。

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要改善汽車的NVH特性,首先是對其振動源和噪聲源的控制。這就需要改善產(chǎn)生振動和噪聲的零部件的結(jié)構(gòu),改善其振動特性,避免產(chǎn)生共振;改進旋轉(zhuǎn)元件的平衡;提高零部件的加工精度和裝配質(zhì)量,減小相對運動元件之問的沖擊與摩擦;改善氣體或液體流動狀況,避免形成渦流;改善車身結(jié)構(gòu),提高剛度;施加與噪聲源振幅相當而相位相反的聲音等。其次要控制振動和噪聲傳遞的途徑。

這就需要對結(jié)構(gòu)的振動和噪聲傳遞特性進行分析并改進,使之對振動和噪聲具有明顯的衰減作用而不是放大;優(yōu)化對發(fā)動機懸置的設(shè)計,降低發(fā)動機向車身傳遞的振動;對懸架系統(tǒng)進行改進,阻斷振動的傳遞;采用適合于平面振動的阻尼材料、適合于旋轉(zhuǎn)軸類的扭振減振器以及針對其它線振動的質(zhì)量減振器;分析和改進結(jié)構(gòu),特別是車身的密封狀況,提高密封性能;各種吸音材料、隔音材料和隔音結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用,提高汽車內(nèi)部的吸音和隔音性能等。

為了質(zhì)感的提升淺談汽車NVH開發(fā)與設(shè)計

來源:汽車之家編輯:張戈

NVH的定義、實驗室和意義

如果把雙眼蓋住,在看不到品牌和外觀的情況下讓您判斷一輛車的好壞,您將采取怎樣的標準?我想聲音、振動以及車輛行駛中的平順性應(yīng)該是很多人十分看重的,而這三個因素就組成了今天的話題,那就是NVH。如果您對于這三個字母還比較陌生,那么來看這篇文章就對了。

為了更好地了解這方面內(nèi)容,我們來到了長安汽車工程研究總院,之所以選擇這里,是因為長安目前有著超過200人的全國最大NVH研發(fā)團隊,同時擁有達到世界水準的NVH實驗室,并與現(xiàn)任長安汽車工程研究總院副院長和總工程師龐劍博士進行了交流。

什么是NVH?

NVH是三個英文單詞的縮寫,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)。由于以上三者在汽車等機械振動中是同時出現(xiàn)且密不可分,因此常把它們放在一起進行研究。簡單地講,乘員在汽車中的一切觸覺和聽覺感受都屬于NVH研究的范疇,此外還包括汽車零部件由于振動引起的強度和壽命等問題。

車輛的噪聲源主要包括:發(fā)動機,排氣系統(tǒng),高速行駛時的風噪聲、輪胎噪聲、以及其它任何運動的部件都有可能發(fā)出噪聲。車輛的振動源主要包括:發(fā)動機,傳動系統(tǒng),不平的路面等。由于聲音是由物體振動產(chǎn)生的,所以噪音和振動往往不是單獨出現(xiàn)的。從NVH的觀點來看,汽車是一個由激勵源(產(chǎn)生噪音與震動的源頭,如發(fā)動機、變速器等)、振動傳遞器(由懸掛系統(tǒng)和邊接件組成)和噪聲發(fā)射器(車身)組成的系統(tǒng)。汽車NVH特性的研究應(yīng)該是以整車作為研究對象的,但由于汽車系統(tǒng)極為復雜,因此常將它分解成幾個子系統(tǒng)進行研究,如底盤子系統(tǒng)(主要包括前/后懸架系統(tǒng))、車身子系統(tǒng)等,也可以研究某一個激勵源產(chǎn)生的或某一工況下的NVH特性。

當然,對于NVH的概念和標準不能“一刀切”。比如購買家用車或者豪華轎車的消費者通常希望車輛在行駛中車廂內(nèi)能夠盡量安靜,振動較小,同時運轉(zhuǎn)平順;但對于高性能車款甚至是超級跑車的消費者而言,洪亮的排氣聲浪、鏗鏘頓挫的換擋感受以及直接傳入車內(nèi)的路面顛簸在很多人眼中都變成了“駕駛樂趣”。

NVH研發(fā)在哪里進行?

其實答案很簡單,就是NVH實驗室,不過這個實驗室并不是普通的實驗室。以長安為例,由16個子實驗室組成的振動噪聲實驗室均達到了國際上的先進標準。其中,半消聲實驗室用于測試靜態(tài)噪聲大小,由德國朗德提供消聲技術(shù)的實驗室內(nèi)環(huán)境音量只有18分貝,在這樣的環(huán)境里人耳會有一種不舒服壓迫感,因為只有在很安靜的環(huán)境內(nèi)才能識別出車上的聲音,而在自然界中這種環(huán)境并不存在。一般來說街面上的音量約為60、70分貝,辦公室約為40、50分貝。為防止外界的震動對試驗的影響,實驗室的地基不是剛性連接的,并抵抗8級地震。

除了對整車NVH進行測試,半消聲實驗室同時承擔著測試通過噪聲的任務(wù)。國家法規(guī)規(guī)定的通過噪聲標準是74分貝,如不通過法規(guī)則無法上市銷售。在測試中通過分布在一側(cè)的收音器進行測試,以此來模擬接收車輛駛過不同距離時的聲音。

為何進行NVH開發(fā)?

通過調(diào)查和研究,我們可以知道,NVH是消費者選擇購買汽車的一項非常重要的因素,據(jù)龐劍博士介紹,在購車后的滿意度方面,在所有汽車用戶不滿意的問題中,約有1/3的問題與NVH有關(guān);同時,1/5的售后問題與NVH有關(guān)。而對于消費者而言,由于噪音、震動、平順性感受等直接決定了一輛車的“質(zhì)感”,所以NVH的開發(fā)設(shè)計,就是為了車輛質(zhì)感的提升。

另外,早期的自主品牌轎車在NVH方面做得不盡如人意,用戶在使用過程中感到噪音和振動偏大,同時在開關(guān)門的聲音和質(zhì)感方面感受也差強人意。不過隨著自主品牌的日漸成熟,同時很多廠家希望將品牌價值提升至新的高度,NVH對于車輛品質(zhì)提升的重要性成為了自主品牌普遍的共識。

NVH的開發(fā)過程和成果

怎樣進行NVH開發(fā)?

廠家在車型項目上馬的同時,就會同步進行NVH的開發(fā),通過與市場部一起做市場調(diào)研,開發(fā)的過程一般需要3年,主要分為五個步驟:

一、項目啟動(廠家稱之為KO):研發(fā)初期,設(shè)定對標車型,即尋找關(guān)注度高的同級別車型作為目標對手,先全方位測量其整車的數(shù)據(jù),制定整車的NVH目標;

二、將對標車型解體,并測量車身剛度,供進行車身部分NVH開發(fā)的使用;

三、對于對標車輛按照車身、動力系統(tǒng)、底盤和懸架系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及電子系統(tǒng)等大類進行測量,并分成零部件設(shè)定目標。全車NVH可以劃分出1000多個目標,并且要做到每部分的目標都是可控的。

四、將這些目標數(shù)據(jù)提供給配套廠和材料供應(yīng)商,要求其提供達到標準的零部件。

五、得到零部件后,將其組裝成大類系統(tǒng)進行系統(tǒng)的NVH實驗,在系統(tǒng)實驗通過后,進行整車的實驗與調(diào)整。

以上就是NVH開發(fā)的全部過程,通俗地講,就是總(對標整車)→分(系統(tǒng)和部件)→總(我方整車)的過程。

做好NVH有什么好處?

這個問題似乎不是很專業(yè),但卻是與消費者和用戶關(guān)系最密切的。廠家投入大量成本進行NVH的開發(fā)和設(shè)計,作為消費者,我們得到了什么?

答案就是整車的舒適性。據(jù)廠家介紹,長安在悅翔之后所有車型都開始注重NVH的開發(fā)。怠速噪聲是比較有代表性的,目前的逸動、CS35車型在怠速時的噪聲為38分貝,睿騁37分貝。在NVH方面,長安表示其水平已經(jīng)與天籟、凱美瑞處同一級別,普遍優(yōu)于同級別美系和德系車型,消費者在駕駛車輛中,便可以感受到車輛寧靜和平順帶來的舒適感受。

編輯總結(jié):

通過對長安振動噪聲實驗室的走訪,使我們初步地了解了NVH開發(fā)的過程,以及在整車研發(fā)中所處的地位?？梢哉f,一輛車的舒適性與NVH是密不可分的,當我們駕駛或者乘坐在舒適的轎車中愜意地旅行時,這樣的車內(nèi)環(huán)境是由上千個開發(fā)和實驗項目,經(jīng)歷了千百次地測試造就的;同時,由于對NVH開發(fā)的重視程度日漸提高,我們也確實感受到了自主品牌車輛在“質(zhì)感”方面的進步。

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