整车NVH介绍(正文).doc
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1、汽车NVH技术探析摘要:随着汽车工业的迅速发展,人们对于汽车的舒适性和振动噪声控制的要求越来越严格。据国外有关资料表明,城市噪声的70%来源于交通噪声,而交通噪声主要是汽车噪声。它严重地污染着城市环境,影响着人们的生活、工作和健康。所以噪声的控制,不仅关系到乘坐舒适性,而且还关系到环境保护。然而一切噪声又源于振动,振动能够引起某些部件的早期疲劳损坏,从而降低汽车的使用寿命;过高的噪声既能损害驾驶员的听力,还会使驾驶员迅速疲劳,从而对汽车行驶安全性构成了极大的威胁。所以噪声控制,也关系到汽车的耐久性和安全性。因此振动、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
2、证产品的经济性,使汽车噪声控制在标准范围之内关键词:汽车、NVH、控制 一、整车NVH介绍(一)NVH定义NVH是指Noise(噪声),Vibration(振动)和Harshness(声振粗糙度),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。声振粗糙度是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。由于声振粗糙描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉,因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应,因此也有人称Harshness为冲击特性。NVH 噪声、振动与声振粗糙
3、度,,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。业界将噪声、振动与舒适性的英文缩写为NVH(Noise、Vibration、Harshness),统称为车辆的NVH问题,它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。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。NVH问题是系统性
4、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。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
5、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。2噪声的种类产生汽车噪声的主要因素是空气动力、机械传动、电磁三部分。从结构上可为发动机(即燃烧噪声),底盘噪声(即传动系噪声、各部件的连接配合引起的噪声),电器设备噪声(冷却风扇噪声、汽车发电机噪声),车身噪声(如车身结构、造型及附件的安装不合理引起的
6、噪声及噪声源通过各种声学途径传入车内的噪声及汽车各部分振动传递途径激发车身板件的结构振动向驾驶室内辐射的噪声组成车内噪声。)。其中发动机噪声占汽车噪声的二分之一以上,包括进气噪声和本体噪声(如发动机振动,配气轴的转动,进、排气门开关等引起的噪声)。因此发动机的减振、降噪成为汽车噪声控制的关键。此外,汽车轮胎在高速行驶时,也会引起较大的噪声。这是由于轮胎在地面流动时,位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸入过程所引起的泵气声,以及轮胎花纹与路面的撞击声。(二)噪声要求 欧洲的法规规定,从1996年10月起,客车的外部噪声必须从77降到74,减少了一半噪声能量,到本世纪末进一步降低到71。日本的法规
7、规定,小型汽车在今后十年内噪声标准控制在76以下。国内的一些大城市也计划在2010年交通干线的噪声平均值控制在70以内。而据国内目前有关资料表明,国内的大客车的噪声许可值则不得超过82,轻型载货车为83 5。由此可见,我国在车辆噪声控制方面还得狠下工夫。二、汽车NVH特性研究的建模和评价方法研究汽车的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
8、):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
9、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。三、噪声的抑制(一)汽车NVH控制措施汽车振动和噪声的产生并
10、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。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
11、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。(二)噪声的控制根据噪声产生和传播的机理,可以把噪声控制技术分为以下三类:一是对噪声源的控制,二是对噪声传播途径的控制,三是对噪声接受者的保护。其中对噪声源的控制是最根本、最直接的措施,包括降低噪声的激振力及降低发动机部位对激振力的响应等,即改造振源和声源。但是对噪声源难以进行
12、控制时,就需要在噪声的传播途径中采取措施,例如吸声、隔声、消声、减振及隔振等措施。汽车的减振降噪水平与整车的动力性、经济性、可靠性及强度、刚度、质量、制造成本和使用密切相关。 】传动系的主要振源有: 发动机不平衡(发动机转速一、二次) 扭矩变动(发动机转速各谐次) 发动机燃气爆发脉冲(气缸数/2) 传动轴不平衡(传动轴转速一次) 万向节不等速(传动轴转速二次) 路面不平度(根据不同路面条件)以轿车为例,按频域分类将部分NVH特性情况列于下表。表1-1传动系统的NVH特性 频率域 激振力 振动形式 线性、非线性 发生现象2-10Hz 发动机扭矩变化 扭 转 线 性 颤动(振动)2-10Hz 离合
13、器的非线性 扭 转 非线性 震颤(振动)10-20Hz 传动轴折弯角 扭转(弯曲) 非线性 起步时振动20-50Hz 发动机扭矩变化 扭 转 线 性 振动(隆隆声)20-50Hz 旋转不平衡 弯 曲 线 性 振动(隆隆声)50-80Hz 发动机扭矩变化 扭 转 线 性 传动系扭转振动(隆隆声)50-80Hz 传动轴折弯角 扭 转 非线性 传动系扭转振动(隆隆声)100-200Hz 发动机往复惯性力 弯 曲 线 性 动力总成,传动轴弯曲振动(隆隆声)400-2kHz 偏轴伞齿轮/啮合力 弯 曲/扭 转 线 性 传动轴弯曲振动(隆隆声)发动机内部的燃烧过程和结构振动所产生的噪声,是通过发动机外表面
14、以及与发动机外表面刚性连接的零件的振动向大气辐射的。根据发动机表面噪声产生的机理,又可分为燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪声的发生机理相当复杂,主要是由于气缸内周期性变化的压力作用而产生的,与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相关。机械噪声是发动机工作时各运动件之间及运动件与固定件之间作用的周期变化的力所引起的,它与激发力的大小和发动机结构动态特性等因素有关。一般说来,在低速时,燃烧噪声占主导地位;在高转速时,由于机械结构的冲击振动加剧而使机械噪声上升到主导地位。车用发动机的辐射噪声频率范围主要在500-3000Hz内,而其主要噪声辐射部件的临界频率大致在500-800Hz范围内。对于发动机噪声的评价,
15、除考虑其辐射噪声声能量总水平外,还应考察以下噪声特性:噪声级及其随发动机工作状态的变化关系,发动机周围空间各点噪声级数值的分布状态,空间各点的噪声频谱以及发动机工作过程各阶段的瞬时声压级。通过这些信息,不但可以比较和评价发动机辐射噪声的大小,还可以深入研究辐射声能在频率上的分布情况,判断发动机工作循环中辐射声最大的阶段,以便分析产生高噪声的原因,提高噪声控制措施并比较和评价这些措施的有效性和经济上的合理性。轮胎噪声的主要产生机理,按声源的激励性质不同,轮胎噪声主要产生机理可分三大类:(1)气流生机理。随着轮胎的滚动,在与路面接触区,花纹沟内空气不断地被吸入与挤出,由此形成“空气泵”噪声,这是横
16、向花纹的一种主要噪声机理。此生源为作起伏变化的气体,属气流噪声。(2)机械声机理。由胎面花纹块不断撞击路面、轮胎结构的不均匀性以及路面的不平性等因素激发机械噪声,是光面胎及纵向花纹的主要噪声源。(3)滤波放大机理。轮胎与路面接触处形成喇叭口几何体,对上述噪声起着滤波放大作用。另外,胎面花纹沟与路面所围管道内的空气共振以及轮胎花纹块离开路面处形成的亥姆霍兹共振效应主要为袋状沟的噪声机理。除了发动机和轮胎以外,传动系噪声来源于变速齿轮啮合引起的振动和传动轴旋转振动。一般采取的措施是:一是选用低噪变速器,二是发动机与变速箱及后桥主减速器等部件与底盘用橡胶垫进行柔性连接,从而达到隔振的目的;三是控制转
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