“工程技術(shù)解決方案之NVH性能開發(fā)（一）NVH性能開發(fā)流程1.引言NVH性能作為汽車最重要的性能指標(biāo)之一，直接決定著用戶感知質(zhì)量，提高產(chǎn)品的舒適性可以保證優(yōu)良的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性，汽車企業(yè)在NVH性能研發(fā)方向投入了大量的人力、物力，組建專門的NVH團(tuán)隊(duì)進(jìn)行NVH性能開發(fā)”

工程技術(shù)解決方案之NVH性能開發(fā)（一）

NVH性能開發(fā)流程

1.引言

NVH性能作為汽車最重要的性能指標(biāo)之一，直接決定著用戶感知質(zhì)量，提高產(chǎn)品的舒適性可以保證優(yōu)良的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性，汽車企業(yè)在NVH性能研發(fā)方向投入了大量的人力、物力，組建專門的NVH團(tuán)隊(duì)進(jìn)行NVH性能開發(fā)，解決產(chǎn)品NVH問題。一項(xiàng)汽車新產(chǎn)品從立項(xiàng)開始，經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、對(duì)標(biāo)分析、正向工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等過程，每一個(gè)環(huán)節(jié)都與NVH性能相關(guān)，整車NVH開發(fā)流程如圖1所示。本文針對(duì)汽車產(chǎn)品研發(fā)過程中概念設(shè)計(jì)、對(duì)標(biāo)分析、目標(biāo)設(shè)定、正向工程設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證各階段整車NVH要求和任務(wù)，分析與探討了整車NVH性能的設(shè)計(jì)與流程。

圖1 整車NVH開發(fā)流程

2.概念設(shè)計(jì)階段

汽車NVH研發(fā)人員應(yīng)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段就要參與進(jìn)來，參與制定整車NVH性能指標(biāo)，協(xié)調(diào)與其它性能之間的關(guān)系。通過對(duì)競(jìng)品車、標(biāo)桿車及同類車型的NVH性能對(duì)標(biāo)與解析，建立符合待開發(fā)車型的整車級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)的NVH性能目標(biāo)。整車NVH級(jí)目標(biāo)通常包括怠速振動(dòng)噪聲、緩加速噪聲、急加速噪聲、路面噪聲，以及用戶操作聲等等。系統(tǒng)級(jí)NVH目標(biāo)一般包括進(jìn)排氣噪聲、輪胎噪聲、動(dòng)力總成噪聲、座椅振動(dòng)等。

2.1 對(duì)標(biāo)分析

汽車對(duì)標(biāo)的目的是詳細(xì)掌握競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的NVH性能，通常要進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試。

NVH主觀評(píng)價(jià)通常依據(jù)主觀評(píng)價(jià)表進(jìn)行，主觀評(píng)價(jià)表要詳細(xì)記錄評(píng)價(jià)工況、路面、環(huán)境條件、評(píng)價(jià)人員，以及評(píng)價(jià)車輛狀態(tài)等關(guān)鍵信息，主觀評(píng)價(jià)通常都在整車狀態(tài)下進(jìn)行，也可對(duì)零部件（如玻璃升降器、雨刮等）工作時(shí)的性能和NVH性能進(jìn)行一定的評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)一般采用十分制評(píng)分法，針對(duì)車型特點(diǎn)對(duì)不同的工況還可以進(jìn)行分值加權(quán)處理。主觀評(píng)價(jià)內(nèi)容除了聲壓級(jí)、聲品質(zhì)，通常還需要關(guān)注異響情況，異響通常發(fā)生在內(nèi)飾件上，如儀表板、車門內(nèi)飾板等處。

由于主觀評(píng)價(jià)不能獲得標(biāo)桿車性能指標(biāo)客觀數(shù)值，無法指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因此需要開展客觀測(cè)試?？陀^測(cè)試包括靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試是指車身模態(tài)、傳遞函數(shù)、動(dòng)剛度測(cè)試。動(dòng)態(tài)測(cè)試是車輛在行駛狀態(tài)下進(jìn)行的，如加速噪聲、路面噪聲等。

整車級(jí)測(cè)試

整車級(jí)別NVH測(cè)試內(nèi)容有很多，應(yīng)該根據(jù)需要選取。一般包括以下內(nèi)容：怠速試驗(yàn)、道路試驗(yàn)、動(dòng)力總成試驗(yàn)、通過噪聲試驗(yàn)、風(fēng)噪試驗(yàn)、異響試驗(yàn)、車門關(guān)閉聲試驗(yàn)等，如圖2所示。試驗(yàn)有時(shí)在路面上進(jìn)行，有時(shí)在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。道路試驗(yàn)盡可能選擇專用的NVH試驗(yàn)場(chǎng)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性、可重復(fù)性和人車安全，圖3為整車級(jí)別NVH測(cè)試。

圖2 整車級(jí)NVH測(cè)試內(nèi)容

圖3 整車級(jí)NVH測(cè)試

系統(tǒng)級(jí)對(duì)標(biāo)測(cè)試

系統(tǒng)級(jí)測(cè)試包括車身系統(tǒng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)等，如圖4所示，有些測(cè)試是在總成級(jí)別上進(jìn)行的，例如車身模態(tài)，如圖5所示，底盤連接點(diǎn)動(dòng)剛度、振動(dòng)傳遞函數(shù)、聲學(xué)傳遞函數(shù)都是在內(nèi)飾車身上進(jìn)行的。模態(tài)、靜剛度測(cè)試可以在白車身狀態(tài)下進(jìn)行。其他系統(tǒng)級(jí)別測(cè)試，如懸架系統(tǒng)模態(tài)、排氣系統(tǒng)模態(tài)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模態(tài)等，都需要將每個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)拆解下來進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 系統(tǒng)級(jí)NVH測(cè)試內(nèi)容

圖5 駕駛室模態(tài)測(cè)試

零部件級(jí)對(duì)標(biāo)測(cè)試

有些測(cè)試是在零部件上進(jìn)行的，如支架模態(tài)、傳動(dòng)軸模態(tài)、轉(zhuǎn)向盤面擺模態(tài)等，圖6為座椅模態(tài)測(cè)試圖。

圖6 座椅模態(tài)測(cè)試

2.2 CAE分析

CAE分析內(nèi)容一般與測(cè)試是對(duì)應(yīng)的，分析內(nèi)容包括：整車CAE模型建立、調(diào)整，白車身模態(tài)分析，白車身靜剛度、動(dòng)剛度分析，排氣系統(tǒng)振動(dòng)特性分析，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)特性分析，懸置系統(tǒng)模態(tài)分析，振動(dòng)及噪聲傳遞函數(shù)分析，怠速振動(dòng)聲分析，路面噪聲分析，車身模態(tài)分析，動(dòng)力總成懸置分析等。圖7為車身CAE模態(tài)分析結(jié)果云圖。

圖7 車身CAE分析結(jié)果云圖

2.3 目標(biāo)設(shè)定

通過對(duì)市場(chǎng)和客戶需求分析，由開發(fā)部門轉(zhuǎn)化成工程語言，研究其性能指標(biāo)，通過對(duì)競(jìng)品車輛的研究，結(jié)合自身車輛的市場(chǎng)定位、價(jià)格區(qū)間等，最終確定整車NVH性能目標(biāo)，NVH目標(biāo)設(shè)定流程如圖8所示。

圖8 目標(biāo)設(shè)定流程

2.3.1 整車級(jí)別NVH目標(biāo)

怠速振動(dòng)噪聲

在怠速工況下，車內(nèi)振動(dòng)和噪聲水平相對(duì)較低，車內(nèi)乘坐人員對(duì)振動(dòng)和噪聲非常敏感。因此，怠速工況下的振動(dòng)噪聲應(yīng)當(dāng)做重要指標(biāo)加以控制。研究怠速噪聲時(shí)，除了聲壓級(jí)的幅值以外，還要關(guān)注聲音的品質(zhì)。圖9是市場(chǎng)上幾款常見中級(jí)車的怠速噪聲測(cè)試結(jié)果。

圖9 汽車的怠速車內(nèi)噪聲測(cè)試值

路面噪聲

路面噪聲的激勵(lì)源來自于路面，路面上的凸凹不平會(huì)產(chǎn)生周期性或者隨機(jī)性激勵(lì)，通過輪胎、懸架系統(tǒng)向車身傳遞。設(shè)定路面噪聲目標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)車型定位設(shè)定合理的目標(biāo)值水平，不同級(jí)別車型的路面噪聲存在較大差異。圖10所示為路面噪聲傳遞路徑示意圖。

圖10 路面噪聲傳遞路徑

加速噪聲

對(duì)車輛加速行駛時(shí)NVH評(píng)價(jià)主要車內(nèi)關(guān)注聲音的總體水平、線性度和聲品質(zhì)?？傮w加速噪聲最能代表一款汽車的水平，它是與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的，因此，在設(shè)定加速噪聲目標(biāo)時(shí)，通常是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為參考。

風(fēng)噪

風(fēng)噪屬于空氣動(dòng)力噪聲，具有寬頻特性。當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，車輛與空氣產(chǎn)生劇烈的摩擦，在車輛表面形成一個(gè)邊界層，特別是在一些結(jié)構(gòu)突變的位置，如刮水器、天線、后視鏡等處。邊界層處出現(xiàn)氣流分離，形成渦流和湍流。紊亂的氣流相互作用，產(chǎn)生壓力變動(dòng)，這些激勵(lì)作用到車身上，引起車身振動(dòng)，并產(chǎn)生輻射噪聲。圖11是車速150km/h時(shí)在A柱附近測(cè)試得到的噪聲。

圖11 風(fēng)噪測(cè)試結(jié)果

2.3.2 系統(tǒng)級(jí)別NVH目標(biāo)

汽車是由各個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的，如車身、動(dòng)力總成、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)的NVH性能綜合在一起，決定了整車的NVH性能。因此，需要設(shè)定每個(gè)子系統(tǒng)的NVH目標(biāo)。

車身

如果車身剛度設(shè)計(jì)不合理，車身模態(tài)會(huì)很容易被激勵(lì)起來。某些部位在低頻范圍內(nèi)產(chǎn)生局部共振，進(jìn)而引起車室內(nèi)的空氣共鳴。車身受到載荷時(shí)，如果變形過大，則會(huì)使搭載在其上的內(nèi)飾件產(chǎn)生異響。所以對(duì)于車身系統(tǒng)需分別進(jìn)行靜剛度、模態(tài)、動(dòng)剛度、VTF、NTF等目標(biāo)設(shè)定。如圖12所示為典型的白車身示意圖。

圖12 白車身結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)力總成

動(dòng)力總成是汽車上最大的激勵(lì)源，除了直接產(chǎn)生噪聲以外，在工作過程中還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)通過懸置、排氣吊掛等路徑向車身傳遞。動(dòng)力總成系統(tǒng)需進(jìn)行模態(tài)的目標(biāo)設(shè)立，動(dòng)力總成模態(tài)―般包括剛體模態(tài)、彈性模態(tài)和局部模態(tài)。圖13為某動(dòng)力總成的剛體模態(tài)。

圖13 動(dòng)力總成的剛體模態(tài)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在大量的模態(tài)，頻率范圍寬，是車身的主要激勵(lì)源之一。因此，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，要與整車通盤考慮，保證相關(guān)模態(tài)分布合理。圖14所示為典型的前橫置四驅(qū)系統(tǒng)示意圖。

圖14 前橫置四驅(qū)系統(tǒng)

進(jìn)排氣系統(tǒng)

在整車性能開發(fā)過程中，需要設(shè)定進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲指標(biāo)。設(shè)定進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲目標(biāo)值，除了考慮整體噪聲以外，還要考慮諧階次噪聲。在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和匹配過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注尾管噪聲、插入損失、傳遞損失以及排氣背壓等參數(shù)。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向柱橫梁(CCB)、車身、車輪，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要傳遞路徑。如果發(fā)動(dòng)機(jī)懸置匹配不好，那么怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)沒有經(jīng)過充分衰減就通過懸置傳遞到車身，引起車身彎曲振動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)，即怠速振動(dòng)。

懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)是路面激勵(lì)向車身的傳遞通道，要求能夠有效地對(duì)路面激勵(lì)加以衰減。懸架系統(tǒng)本身具有多個(gè)模態(tài)，這些模態(tài)與相關(guān)激勵(lì)或者模態(tài)不能產(chǎn)生耦合。

懸置系統(tǒng)

懸置要承受動(dòng)力裝置的重量，在受到?jīng)_擊作用的時(shí)候，位移不能太大，這樣就要求懸置的剛度硬些，但是沖擊能量需要依靠阻尼吸收，所以懸置的阻尼要大。隔振的時(shí)候，頻率相對(duì)高些，這時(shí)剛度低和阻尼小才會(huì)達(dá)到理想的隔振效果。一個(gè)理想的懸置應(yīng)該是在低頻時(shí)剛度高而阻尼大，而在高頻時(shí)剛度低而阻尼小。

車架

車架是動(dòng)力總成的載體，同時(shí)也是動(dòng)力總成激勵(lì)、路面激勵(lì)的主要傳遞路徑。因此，在設(shè)計(jì)車架時(shí)，要注意激勵(lì)的衰減，涉及搭載點(diǎn)的選擇、車架自身模態(tài)和剛度。同時(shí)，還要考慮車架的疲勞強(qiáng)度、輕量化性能要求。

聲學(xué)包裝

處理高頻噪聲的主要方法就是聲學(xué)包裝，針對(duì)不同的聲源頻率特性，需要結(jié)合成本采取有針對(duì)性的降噪措施。在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)每個(gè)影響整車聲學(xué)包裝性能的部位設(shè)定目標(biāo)。

2.3.3 模態(tài)分布表

汽車是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，各部件互相關(guān)聯(lián)，需要采用整車模態(tài)規(guī)劃來避免NVH問題的出現(xiàn)，或者解決已經(jīng)存在的NVH問題，如果問題頻率較低，則主要通過模態(tài)規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)，如果問題的頻率較高，則主要通過聲學(xué)包裝來實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單地講，就是通過模態(tài)分離，以避免出現(xiàn)共振。如圖15所示，模態(tài)規(guī)劃表可以用來指導(dǎo)汽車的總體NVH設(shè)計(jì)，因此，模態(tài)規(guī)劃表非常重要。

圖15 整車模態(tài)規(guī)劃表

3. 工程設(shè)計(jì)階段

按照整車開發(fā)流程，當(dāng)完成概念設(shè)計(jì)和目標(biāo)設(shè)定及分解以后，就進(jìn)入了正向工程設(shè)計(jì)階段。正向設(shè)計(jì)過程中的分析內(nèi)容應(yīng)該能夠涵蓋零部件、系統(tǒng)和整車，與NVH目標(biāo)項(xiàng)是對(duì)應(yīng)的。

零部件級(jí)分析

汽車上的一些零部件需要保證模態(tài)和剛度要求，如動(dòng)力總成中的曲軸、連桿、活塞、機(jī)油泵殼體、氣門室罩蓋等關(guān)鍵件，底盤系統(tǒng)中的擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)，制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)盤、制動(dòng)鉗，驅(qū)動(dòng)軸、懸置支架、空氣濾清器殼體等。圖16所示為制動(dòng)盤模態(tài)分析示意圖。

圖16 制動(dòng)盤模態(tài)圖

系統(tǒng)級(jí)分析

系統(tǒng)級(jí)分析包括：白車身（可以開展靜剛度、模態(tài)、動(dòng)剛度分析等），動(dòng)力總成（激勵(lì)分析，模態(tài)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱殼體輻射噪聲分析等），懸置系統(tǒng)（模態(tài)分布、解耦率、隔振率和傳遞力等）分析。如圖17所示為振動(dòng)傳遞函數(shù)（VTF）和噪聲傳遞函數(shù)（NTF）結(jié)果。

圖17 傳遞函數(shù)曲線

整車級(jí)分析

整車模型搭建完成后，首先用來進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果要填進(jìn)整車模態(tài)分布表，查看各系統(tǒng)的模態(tài)分布，保證相關(guān)模態(tài)和激勵(lì)之間不產(chǎn)生耦合。無論各個(gè)系統(tǒng)是否滿足了目標(biāo)要求，最終都需要在整車上加以驗(yàn)證。

結(jié)果評(píng)價(jià)及優(yōu)化

正向工程設(shè)計(jì)過程中，會(huì)輸出大量的計(jì)算報(bào)告。零部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)以至整車級(jí)的各項(xiàng)分析項(xiàng)目，都要對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是事先制定的目標(biāo)值。對(duì)于不滿足目標(biāo)值的，首先要判斷該項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)程度，同時(shí)結(jié)合其他相關(guān)項(xiàng)進(jìn)行綜合考慮。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)較高的項(xiàng)目，要采取措施進(jìn)行優(yōu)化。

4. 試驗(yàn)驗(yàn)證階段

在正向工程設(shè)計(jì)階段，所有的分析項(xiàng)目完成，大部分性能滿足目標(biāo)要求，沒有滿足目標(biāo)要求的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)都在可控范圍內(nèi)，并且有合理的解決預(yù)案，此時(shí)就可以進(jìn)入下一個(gè)階段，開始進(jìn)行樣車試制。

4.1 樣車試制

試制樣車完成后需進(jìn)行各種測(cè)試評(píng)價(jià)，目的是查找存在的問題，對(duì)正向工程設(shè)計(jì)階段的分析結(jié)果加以驗(yàn)證。首先進(jìn)行的是主觀評(píng)價(jià)，確定樣車存在的NVH問題。此外主觀評(píng)價(jià)要與客觀測(cè)試結(jié)合進(jìn)行，這一階段的試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱吮┞秵栴}，因此，試驗(yàn)項(xiàng)目要盡可能全面。

4.2 小批量制造

小批量制造階段的樣車也有可能出現(xiàn)NVH問題，這時(shí)候出現(xiàn)的問題多數(shù)是由于產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、安裝穩(wěn)定性等因素造成的。有些樣車要進(jìn)行NVH試驗(yàn)，以檢驗(yàn)生產(chǎn)線上出來的汽車的性能穩(wěn)定性。

5.結(jié)語

汽車NVH正向開發(fā)涉及到NVH的設(shè)計(jì)與NVH性能控制，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要求在汽車設(shè)計(jì)的各階段運(yùn)用試驗(yàn)與CAE分析方法進(jìn)行大量的分析工作。NVH開發(fā)流程作為一種切切實(shí)可行的手段，已廣泛地應(yīng)用于汽車產(chǎn)品開發(fā)過程，包括標(biāo)桿樣車分析、目標(biāo)值設(shè)定、系統(tǒng)選配、系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)和驗(yàn)證、整車的性能驗(yàn)證和改進(jìn)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)問題解決、質(zhì)量問題追蹤及改進(jìn)等。