第七章汽車NVH特性

NVHN—Noise（噪聲）V—Vibration（振動）H—Harshness（聲振粗糙感）三者常同時出現(xiàn)且密不可分汽車NVH特性指在車室振動、噪聲的作用下，乘員舒適性主觀感受的變化特性是人體觸覺、聽覺以及視覺等方面感受的綜合體現(xiàn)，也可以用振動、噪聲等性能的客觀物理量加以衡量第一節(jié)汽車NVH特性一、概述目前一頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點汽車上的振動路面不平度引起的車身垂直方向振動發(fā)動機(jī)不平衡往復(fù)慣性力產(chǎn)生的車身振動轉(zhuǎn)向輪的擺振傳動系的扭轉(zhuǎn)振動等特點很多振動都是隨機(jī)振動，通常用振動量的均方根值來衡量，并且按照頻率加權(quán)計算對人體舒適性影響較大的振動主要表現(xiàn)為界面點對人體輸入的低頻振動，頻率范圍1~80Hz左右界面點：轉(zhuǎn)向盤、儀表板、地板、座椅、耳旁目前二頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點噪聲是NVH問題中很重要的部分車內(nèi)噪聲車身壁板振動產(chǎn)生的噪聲空氣沖擊摩擦車身形成的噪聲外界噪聲源（如發(fā)動機(jī)、輪胎、制動器等）傳入的噪聲車外噪聲城市環(huán)境主要的噪聲源，必須嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)車外噪聲：GB1495-2002：汽車加速車外噪聲小于88dB，M1類汽車應(yīng)小于77dB車內(nèi)噪聲：美國在1985年就規(guī)定公共汽車的車內(nèi)噪聲不得超過80dB我國尚無強制性法規(guī)目前三頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點噪聲的計算早期，以試驗方法為主利用診斷技術(shù)識別出噪聲源，然后通過改進(jìn)聲源結(jié)構(gòu)減小其產(chǎn)生的噪聲，或切斷噪聲的傳播途徑來控制車內(nèi)噪聲仿真計算借助噪聲分析軟件，建立聲學(xué)模型預(yù)測車內(nèi)噪聲，分析其產(chǎn)生機(jī)理和傳播途徑，在產(chǎn)品設(shè)計階段對噪聲進(jìn)行有效控制目前四頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點聲振粗糙感指的是振動和噪聲的品質(zhì)不是一個與振動、噪聲相并列的物理概念描述的是人體對振動和噪聲的主觀感覺，不能直接用客觀測量方法來度量汽車的乘坐舒適性最終要表現(xiàn)為人體的感覺，所以聲振粗糙感在NVH特性研究中占有十分重要的地位汽車公司采用專家實際乘坐汽車的方式來最終評價汽車NVH特性目前五頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1.噪聲的客觀量度聲壓p——是指媒質(zhì)受到聲擾動后壓強的改變量。設(shè)靜態(tài)大氣壓強為p0，空氣受到聲擾動后的壓強為p，則聲強I——在單位時間內(nèi)流過垂直于聲傳播方向上的單位面積的平均聲能通量聲壓級聲強級二、聲學(xué)基礎(chǔ)理論目前六頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、噪聲的主觀量度與計權(quán)聲級人耳對噪聲的主觀感受不但與聲音的強弱有關(guān)，還與頻率有關(guān)，在人耳敏感頻段的聲音聽起來會更響一些以1000Hz純音為標(biāo)準(zhǔn)，定義其聲壓級為響度級，單位為phon。其它頻率聲音的響度級通過與1000Hz的純音相比較確定將不同頻率下同樣響度級的各點連接起來，得到等響曲線目前七頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、噪聲的主觀量度與計權(quán)聲級為了使聲音的量度與人耳聽覺感受一致，在聲級計等測量儀器上都設(shè)置了頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)（即濾波器），對所測量的噪聲信號按頻帶進(jìn)行衰減根據(jù)頻率響應(yīng)特性不同，計權(quán)網(wǎng)絡(luò)可分為多種A級計權(quán)網(wǎng)絡(luò)按照40phon等響曲線修正的，代表著人耳對低聲壓噪聲響亮程度的感覺與噪聲對人體的危害程度有良好的相關(guān)性，最能反映人耳與噪聲頻率響應(yīng)特性之間的關(guān)系應(yīng)用最為廣泛目前八頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點汽車激勵源：發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、車輪和輪胎、不平路面和風(fēng)等傳遞器：懸架系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)響應(yīng)器：車身和車室空腔三、汽車中的NVH現(xiàn)象目前九頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點汽車激勵源：發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、車輪和輪胎、不平路面和風(fēng)等傳遞器：懸架系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)響應(yīng)器：車身和車室空腔汽車上的NVH現(xiàn)象描述乘員的主觀感受分為振動、噪聲等多種感覺將乘員的主觀感受與客觀的描述聯(lián)系起來，用于對汽車NVH特性的評價與診斷目前十頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點車身系統(tǒng)是整車NVH系統(tǒng)的響應(yīng)器，其振動響應(yīng)特性直接影響著整車的NVH特性車身作為振動、噪聲傳遞途徑中的重要環(huán)節(jié)，其聲學(xué)傳遞特性也對車內(nèi)的噪聲水平有重要的影響車內(nèi)噪聲結(jié)構(gòu)噪聲：外界激勵引起車身壁板振動產(chǎn)生的噪聲空氣噪聲：車室外通過車身孔隙進(jìn)入車內(nèi)的噪聲四、車身的NVH特性目前十一頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點汽車NVH特性設(shè)計方法建立在CAE基礎(chǔ)之上以改善汽車NVH特性為目標(biāo)聲學(xué)設(shè)計方法：以降低車內(nèi)總體噪聲水平為目的汽車NVH特性設(shè)計方法貫穿于新車型的研發(fā)過程，也在現(xiàn)有車型的改進(jìn)設(shè)計中起到重要作用第二節(jié)

NVH特性設(shè)計方法目前十二頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點整車研發(fā)過程中，NVH特性研究分為以下四個階段：調(diào)研，對標(biāo)，確定整車NVH特性目標(biāo)分級匹配各整車仿真分析系統(tǒng)、子系統(tǒng)的NVH目標(biāo)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)子系統(tǒng)和整車的性能目標(biāo)樣車的試驗與調(diào)整目前十三頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點整車水平的NVH目標(biāo)在項目的早期制訂主要步驟：根據(jù)目標(biāo)人群特點和顧客的駕駛評估確定與汽車NVH特性相關(guān)的重要項目，如：車內(nèi)噪聲、地板振動、轉(zhuǎn)向盤抖動等制訂主觀NVH目標(biāo)對標(biāo)、顧客和專家的駕駛評價對將要開發(fā)汽車性能的未來規(guī)劃車內(nèi)的噪聲水平、振動感受等對標(biāo)車試驗，據(jù)此建立整車NVH目標(biāo)確定其客觀性能將主觀NVH目標(biāo)轉(zhuǎn)化為客觀的整車NVH目標(biāo)駕駛員耳旁聲壓級敏感點加速度響應(yīng)車身振動模態(tài)頻率等研究并規(guī)劃在這個市場定位水平上的未來NVH特性的改進(jìn)趨勢一、整車NVH目標(biāo)的確定目前十四頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點整車水平的NVH目標(biāo)包括：與不平路面有關(guān)的前座椅振動、轉(zhuǎn)向盤抖動與風(fēng)噪聲有關(guān)的高速時的前座椅處的噪聲水平與動力總成有關(guān)的起動時的抖動怠速期間駕駛員的右耳噪聲和踏板振動水平等汽車各系統(tǒng)模態(tài)頻率的分配一、整車NVH目標(biāo)的確定目前十五頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點不同系統(tǒng)和子系統(tǒng)的模態(tài)頻率對于確定汽車整體NVH特性起著關(guān)鍵作用例：為防止共振，系統(tǒng)模態(tài)頻率之間應(yīng)該分離，并與激勵頻率分開。某汽車裝備V6發(fā)動機(jī)，其穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速650r/min；發(fā)動機(jī)首階激勵（第3階）在32.5Hz，對轉(zhuǎn)向柱的抖動特性影響很大根據(jù)轉(zhuǎn)向柱支承系統(tǒng)實際情況，將其垂直方向模態(tài)頻率設(shè)置為29Hz，橫向模態(tài)設(shè)置為36Hz，降低了轉(zhuǎn)向柱管的抖動，改善了整車的NVH特性目前十六頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點分級結(jié)合試驗和CAE方法，指將整車NVH目標(biāo)轉(zhuǎn)化為車身結(jié)構(gòu)、動力總成懸置等系統(tǒng)和部件目標(biāo)水平的過程例如：一階模態(tài)頻率、車身接頭剛度、車身在懸架上的安裝部位剛度等為設(shè)計人員提供相關(guān)部件設(shè)計的詳細(xì)準(zhǔn)則二、NVH目標(biāo)的分級目前十七頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點車身系統(tǒng)的NVH特性目標(biāo)包括彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度模態(tài)特性聲學(xué)振動靈敏度噪聲的衰減特性動力總成的振動及其輻射的噪聲底盤懸架系統(tǒng)的動態(tài)特性等目前十八頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點新開發(fā)汽車的分級參考BIC汽車的基本數(shù)據(jù)實現(xiàn)BIC的系統(tǒng)和部件NVH特性水平作為初始設(shè)計目標(biāo)再根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)合實際情況進(jìn)行修改，作為早期系統(tǒng)和部件的NVH目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計師按照部件的目標(biāo)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計目前十九頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點NVH設(shè)計過程中，為進(jìn)行NVH目標(biāo)的分級、評價，改善汽車的NVH特性，應(yīng)建立用于整車NVH特性研究的CAE模型不同子系統(tǒng)、不同NVH問題，采用的CAE方法不同懸架、轉(zhuǎn)向系等系統(tǒng)研究其低頻范圍的動力學(xué)特性時主要采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方法對40Hz以下NVH特性的模擬非常準(zhǔn)確剛度較小的系統(tǒng)（如車身系統(tǒng)）采用有限元方法建立彈性體（或柔體）模型，再與多剛體系統(tǒng)模型相結(jié)合，建立整車的剛彈耦合模型模擬適用的頻率范圍也提高到200Hz以上三、NVH設(shè)計中的CAE方法介紹目前二十頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點車內(nèi)低頻噪聲的計算一般是利用有限元方法實現(xiàn)將車內(nèi)空腔劃分網(wǎng)格，建立有限元模型

②車內(nèi)空腔與車身結(jié)構(gòu)模型耦合，建立聲固耦合模型③計算車室空腔的聲學(xué)特性，車內(nèi)噪聲響應(yīng)中高頻（300Hz以上）NVH特性的仿真應(yīng)采用建立在空間聲學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ)上的統(tǒng)計能量分析（SEA）方法目前二十一頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點

有限元方法+

多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方法，建立整車的剛彈耦合模型，預(yù)測車身的振動和車室內(nèi)的聲壓。第三節(jié)

剛彈耦合系統(tǒng)的仿真分析目前二十二頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．用模態(tài)方法描述彈性體—模態(tài)綜合法動力縮減-部件模態(tài)綜合法(CMS-componentmodesynthesis)將有限元模型與多剛體模型相連接時，由于有限元模型的自由度數(shù)目巨大，因此必須將給定的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型縮減為一個具有較少自由度的模型模態(tài)綜合法則是在有限元法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析的有效方法一、剛彈耦合系統(tǒng)的建模理論目前二十三頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．用模態(tài)方法描述彈性體—模態(tài)綜合法動力縮減-部件模態(tài)綜合法CMS模態(tài)綜合法基本思想把復(fù)雜結(jié)構(gòu)分為若干部件(子結(jié)構(gòu))每個部件可用計算或試驗的方法求得模態(tài)參數(shù)根據(jù)邊界條件，將各子結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性疊加起來，再通過平衡方程和約束方程將物理坐標(biāo)約簡，得到用廣義坐標(biāo)(模態(tài)坐標(biāo))表示的運動方程，由此可計算組合系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)目前二十四頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．用模態(tài)方法描述彈性體—模態(tài)綜合法動力縮減-部件模態(tài)綜合法CMS目前二十五頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．用模態(tài)方法描述彈性體—模態(tài)綜合法通過超單元實現(xiàn)動力縮減，并將超單元模型轉(zhuǎn)換為彈性體元件連接到多體系統(tǒng)動力學(xué)模型中彈性體有限元模型自由度邊界自由度uB。邊界自由度不進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)高階模態(tài)被截斷時，這些自由度不會丟失任何信息內(nèi)部自由度uI目前二十六頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點彈性體模態(tài)約束模態(tài)分別使每一個邊界自由度產(chǎn)生單位位移時，固定其它所有邊界自由度得到的靜態(tài)振型約束模態(tài)坐標(biāo)qC與相應(yīng)的邊界自由度數(shù)量相等，且一一對應(yīng)由邊界自由度變形uB引起的整個彈性體的變形都可由約束模態(tài)的線性疊加得到固定邊界的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)將彈性體的邊界自由度uB固定并計算它的特征值問題而得到的標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)它們定義了內(nèi)部自由度uI的模態(tài)變形，其品質(zhì)與保留的模態(tài)數(shù)量有關(guān)目前二十七頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點

物理自由度u與CMS法的模態(tài)Φ以及模態(tài)坐標(biāo)q之間的關(guān)系目前二十八頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2．多體系統(tǒng)中彈性體的動力學(xué)方程當(dāng)彈性體連接到多體模型中時，它所有的模態(tài)信息都傳入多體系統(tǒng)中模態(tài)坐標(biāo)模態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣模態(tài)質(zhì)量矩陣模態(tài)剛度矩陣模態(tài)頻率等在多體系統(tǒng)中，首先要確定彈性體上各點的運動學(xué)關(guān)系式以及彈性體所受的作用力，根據(jù)這些條件利用拉格朗日方程推導(dǎo)彈性體的動力學(xué)方程目前二十九頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2．多體系統(tǒng)中彈性體的動力學(xué)方程目前三十頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．建立整車剛彈耦合模型建立車身有限元模型建立底盤的多體模型并與彈性體車身相連接進(jìn)行超單元分析將車身超單元轉(zhuǎn)換成為多體系統(tǒng)中的彈性體文件整車的剛彈耦合系統(tǒng)模型二、模型的建立與仿真分析目前三十一頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．建立整車剛彈耦合模型前懸架ADAMS模型轉(zhuǎn)向系模型目前三十二頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．建立整車剛彈耦合模型懸架彈簧特性曲線車身骨架模型共有24469個節(jié)點，29100個單元，單元尺寸為50mm，板厚1mm。利用它建立超單元并生成柔體車身目前三十三頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．建立整車剛彈耦合模型目前三十四頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1．建立整車剛彈耦合模型整車模型的建立將上述各種子系統(tǒng)在ADAMS/Car標(biāo)準(zhǔn)模塊下進(jìn)行裝配連接，就可以得到整車的仿真模型目前三十五頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、整車剛彈耦合模型的仿真分析模型的標(biāo)定和校驗整車虛擬樣車模型建立之后，采用與實車實驗數(shù)據(jù)對照的方法對模型進(jìn)行標(biāo)定和校驗加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電荷放大器、電腦等測量副車架左后懸置與車身連接處振動加速度信號，采樣頻率為4kHz，采樣時間10秒車速80km/h在B級瀝青路面上行駛勻速直線行駛目前三十六頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、整車剛彈耦合模型的仿真分析模型的標(biāo)定和校驗實驗結(jié)果柔體模型仿真副車架左后懸置處的垂向振動加速度最大值的測量結(jié)果比柔體模型仿真結(jié)果略大；柔體模型的主頻及對應(yīng)的峰值能夠與試驗值較好的吻合仿真結(jié)果與試驗相比雖有一定誤差，但仍在合理范圍內(nèi)。驗證了模型的合理性產(chǎn)生誤差的主要原因：與實車相比模型存在較大的簡化由于條件限制，模型的參數(shù)還不夠準(zhǔn)確路面模型與真實的路面存在一定差距等目前三十七頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、整車剛彈耦合模型的仿真分析在多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件中設(shè)置不同路面和行駛工況可以對整車剛彈耦合模型進(jìn)行仿真分析例目前三十八頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、整車剛彈耦合模型的仿真分析例——在汽車30km/h直線行駛工況，仿真分析得到的車身質(zhì)心處加速度時間歷程信號以及經(jīng)過付立葉變換后的頻域信號仿真開始階段（約0.32秒之前）只有前輪處于不平路面，相應(yīng)的時間歷程曲線振幅比較小；隨著后輪駛上路面，振動幅度變大在頻譜圖中2Hz附近的尖峰對應(yīng)著車身垂直方向振動的剛體模態(tài)由于懸架系統(tǒng)的高頻濾波作用，50Hz以上的振幅非常小目前三十九頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2、整車剛彈耦合模型的仿真分析例—計算得到的左側(cè)車身連接點垂直方向的作用力前后懸架滑柱上支點（曲線1和4）承受著大部分的簧載質(zhì)量，而橫向推力桿垂直方向的傳遞力（曲線6）幾乎可以忽略由于后車輪在前一段時間沒有駛上不平路面，因此相應(yīng)的連接點傳遞力（曲線4、5、6）幾乎沒有波動，曲線平直，傳遞力基本等于靜載荷目前四十頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點噪聲機(jī)理激勵源傳遞途徑聲學(xué)響應(yīng)要控制噪聲，應(yīng)從減小聲源、隔斷噪聲的傳遞途徑和聲場內(nèi)消聲等方面入手減小聲源：對于發(fā)聲的部件采用消聲器，對于振動的部件采用減振器，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要使固有頻率相互錯開并避開激勵頻率抑制風(fēng)噪聲：消除泄漏氣流的間隙，改進(jìn)密封元件，增加密封壓力等，將縫隙堵塞避免空腔共鳴：修改車室形狀和尺寸的方法，改變空腔的共振頻率，以避開常見激勵的頻率直接從聲源上治理噪聲往往受到限制，還需要采取防振、隔振、吸聲、阻尼等辦法第四節(jié)車內(nèi)的降噪措施目前四十一頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1.隔聲對于發(fā)動機(jī)的噪聲和車外噪聲，可采用各種結(jié)構(gòu)措施并選擇合理的隔聲材料來隔離隔聲效果用透射損失TL評價（單位dB）式中，Wi為射到隔聲壁的聲能量；Wt為透過隔聲壁的聲能量垂直入射聲波的單層隔壁透射損失式中，m為隔壁單位面積的質(zhì)量，單位為

kg/m2；f為聲頻率，單位為

Hz隔壁面密度愈大，聲頻率愈高，則隔聲效果愈好一、隔聲與吸聲目前四十二頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點1.隔聲例：前置發(fā)動機(jī)的工作噪聲，通過前圍擋板傳入車內(nèi)。單位面積質(zhì)量或頻率大1倍，隔聲量僅增加

6dB，用單層隔壁的隔聲效果不好。結(jié)構(gòu)工藝允許時，用雙層隔壁會顯著提高隔聲效果汽車的前圍板、地板，其上有許多穿線孔、安裝孔等，能引起風(fēng)嘯聲又會大大降低透射損失，應(yīng)給予密封幾種穿線膠套的隔聲效果比較實例目前四十三頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點隔聲大多數(shù)隔聲結(jié)構(gòu)對高頻噪聲的隔聲效果較好，而對低頻噪聲較差某貨車的發(fā)動機(jī)噪聲與由其引起的駕駛室內(nèi)噪聲的比較，可見要進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲，應(yīng)研究提高隔壁在250Hz以下的透射損失目前四十四頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2.吸聲利用吸聲材料作內(nèi)飾，吸收入射到其上的聲能，減弱反射聲能，從而降低車內(nèi)噪聲吸聲效果可用吸聲系數(shù)α表示目前四十五頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2.吸聲在汽車上使用的吸聲材料有如下幾類1)多孔性吸聲材料

其機(jī)理是當(dāng)聲波進(jìn)入材料表面的空隙，引起空隙中空氣和材料微小纖維的振動，由于內(nèi)摩擦和粘滯阻力，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能汽車上常用的這類吸聲材料有玻璃棉、毛毯、聚胺酯泡沫塑料等。常用于中、高頻吸聲2）開孔壁吸聲材料

為了提高中低頻噪聲的吸聲系數(shù)，往往在材料上開很多小孔，小孔背后保存有一定的空氣層，使其能產(chǎn)生共振而消耗能量它往往與多孔性吸聲材料混合使用，例如車身頂篷內(nèi)飾面是開孔的背后貼有一層薄泡沫塑料的人造革。其吸聲性能與孔徑和穿孔率有關(guān)目前四十六頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點2.吸聲吸聲處理主要用于吸收反射聲，對直達(dá)聲無明顯效果，故在車身上有利于抑制車內(nèi)共鳴噪聲吸聲處理往往與隔聲、防振（阻尼）處理等措施一起采用目前四十七頁\總數(shù)五十一頁\編于二十二點3.衰減處理在一些容易引起振動的鈑金件上，如地板、頂蓋、前