汽车NVH设计思路简析

随着汽车设计水平及生产技术的不断提高，以及各级供应商和整车厂之间日益紧密的合作，不同品牌汽车的使用性能和安全性能之间的差别越来越小。相比之下，汽车的舒适性就常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素之一。因此，汽车厂商非常重视提高噪声振动性能，并把它作为新车的亮点。噪声、振动与舒适性，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（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的故障和车辆的NVH问题有关，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。

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，这个噪声问题可能就涉及三个部分：一个是发动机本身的噪声大，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效果不好，这些是互相关联的系统问题。当采取解决措施时，人们一般考虑加强车厢隔音性能和材料，而对真正的噪声发生源——发动机则是无能为力，这无法从根本上解决问题。运用NVH解决方案，从噪声的源头上想办法，对发动机、悬置及车架等进行结构调整和优化，才能从根本上解决问题。因此，NVH问题实质是汽车设计阶段要解决的问题，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通过弹性元件支承在车架和轮胎上，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。

汽车NVH问题也涉及零部件生产企业。近年来，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会遇到NVH问题。设计者考虑的问题也不单纯是零部件本身，而是零部件与零部件之间、零部件与整车之间的关系。

例如，在解决发动机NVH问题时，一些发动机公司为了获得更好的降噪效果，除对发动机作降噪处理外，还对车辆的发动机舱、车厢内部设计结构都进行了声学研究，以求得到最好的解决方案。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。

汽车的噪声源有多种，发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、继电器、喇叭和音响等都会产生噪声。这些噪声有些是被动产生的，有些是主动发生的（如人为按动喇叭）。但是主要来源只有两个方面：一个是发动机，另一个是轮胎，它们都是被动发生的，只要车辆行驶就会产生噪声。

在发动机各种噪声中，发动机表面辐射噪声是最主要的。发动机表面辐射噪声由燃烧噪声和机械噪声两大类构成，是发动机内部燃烧及机械振动所产生的噪声。燃烧噪声是指气缸燃烧压力通过活塞、连杆、曲轴和缸体等途径向外辐射产生的噪声，机械噪声是指活塞、齿轮、配气机构等运动件之间机械撞击产生的振动噪声。一般情况下，低转速时燃烧噪声占主导地位，高转速时机械噪声占主导地位。两者是密切相关、相互影响的。实践表明，减少振动是降低噪声的根本措施。增加发动机结构刚度和阻尼，是减少振动的方法，从而达到降低噪声的目的。

轮胎在路面上滚动产生的噪声也是很大的。有关研究表明，在干燥路面上，当汽车时速达到100km时，轮胎噪声成为整车噪声的重要噪声源。而在湿路面上，即使车速低，轮胎噪声也会盖过其他噪声成为最主要的噪声源。轮胎噪声来自泵气效应和轮胎振动。所谓泵气效应是指轮胎高速滚动时引起轮胎变形，使得轮胎花纹与路面之间的空气受压挤，随着轮胎滚动，空气又在轮胎离开接触面时被释放，这样连续的“压挤释放”，空气就迸发出噪声，而且车速越快噪声越大，车辆越重噪声越大。轮胎振动与轮胎的刚度和阻尼有关，刚度增大（例如轮胎帘布层数目增加），阻尼减少，轮胎的振动就会增大，噪声也就大了。要降低轮胎的噪声，胎面可采用多种花纹节距，采用高阻尼橡胶材料，调整好轮胎的负载平衡以减少自激振动等。(www.xing528.com)

为了防止发动机噪声和轮胎噪声传入乘员厢，设计人员除了尽量减少噪声源外，也在车厢的密封结构上下工夫，尤其是前围板和地板的密封隔音性能。

变速器噪声主要是由齿轮啮合而引起的。齿轮啮合时，由于齿轮刚度的变化及啮合偏差，引起齿轮间振动力的产生。激振力直接引起空气压力的变化，透过壳体形成空气传播噪声。同时，也会引起构造物的振动，经过壳体或线束等传递，形成结构传播噪声。

驱动系统噪声是由于减速齿轮的啮合偏差引起驱动系和后悬架系共振，发生车内噪声。正常行驶、缓加速、缓减速时均有可能发生。并且，随着加速踏板的踩入速度的不同，声音的大小也不同。驱动系统噪声以啮合频率成分为主体，由于是高频，所以同环境噪声相比更显著。

制动噪声主要是由制动系统之间的摩擦产生的自励振动作为激振力，造成制动、悬架系强烈振动，产生噪声。最常见的是制动抖动。制动抖动是踩下制动踏板时，引起车体的振动，强烈时会出现制动踏板前后振动的一种现象。一般在高速且突然猛烈制动时发生，同车轮的旋转有一样的周期。主要原因是制动盘的厚度不均，夹在两块制动板之间旋转时，时宽时窄，进而产生很大的力，这个力通过制动管传递到制动踏板。

除了上面介绍的一些主要内容以外，还有如进气噪声、排气噪声、风噪、车门关闭声和一些辅助机构类噪声等诸多NVH现象。

从以上叙述可知，汽车的振动噪声涉及整车许多方面，包括汽车的结构设计、工艺水平、装配密封性等。在整车规划或解决NVH问题时，需要从整体角度去考虑。

目前，国内一般还都是实车跑路试，对测量数据进行分析；采取增加焊点、结构变更等措施，把共振频率错开，但实际效果不是太好。国外先进的汽车厂家从20世纪80年代以来已经将汽车结构的动态特性纳入产品开发的常规内容。尤其是20世纪90年代以来，丰田、通用、福特和克莱斯勒等汽车公司的工程研究中心专门设立了NVH部门，集中处理汽车的噪声、振动和来自路面接触冲击的噪声声振粗糙度。

当前，国内外知名汽车公司在汽车设计阶段就开始用CAE做NVH性能设计了。在产品开发的初期、中期及后期，利用CAE技术对整车的NVH性能进行预测、优化。如在开发中期，可以计算一些关键零部件的振动特性，利用综合模态技术计算驾驶人耳边的声压、地板和转向盘的振动等。而在开发的后期，设计完毕，CAE计算出各方面的性能。当各项性能指标基本达到要求后，才开始制作模型样车。试验工程师对样车进行主观评价，发现各种振动噪声问题，然后测试数据，为进一步CAE分析和设计新结构提供数据。在CAE分析的指导下，可以避免盲目的测试。同时，这些数据和分析还为以后开发新车积累了很多宝贵的资料。