汽车NVH性能开发：解决思路及关键方向

解决NVH问题要有正确的思路，否则只能是摸着石头过河。所有的NVH问题的发生，都离不开三个系统，即激励源、传递路径和接受体，如图4.6.1所示。

解决一个NVH问题，无外乎从这三个方面入手，即降低激励、改善传递路径和提高接受体刚度。到底以哪个为主，要视实际情况而定。例如，对于动力总成激励，由于到这个阶段后，动力总成已经完成制造，想要在动力总成上采取措施来降低激励往往很难。

图4.6.1 NVH问题产生原理

1.激励源

引起NVH问题的激励源主要包括动力总成、路面和空气摩擦。每种激励源的发生时间及影响程度因车速、发动机转速、行驶路况等条件而不同。如汽车在高速公路上行驶时，主要激励来自于车身与空气的摩擦，即风噪声为主要问题。而车辆在粗糙路面上行驶时，则以路面激励为主。

（1）路面激励

路面有很多种，大体上可以分为三类。

第一类是周期性凸凹不平路面，如防滑路或铺石路，路面上的一定间隔的凸起，会带给轮胎频率周期一定的激振力，进而造成车室内的振动及噪声。如图4.6.2所示。激振力的频率与车速及凸起间隔距离有关，可以按照下式来推算：

f∝v/p （4.2）

式中，f为激振力的频率，Hz；v为车速，km/h；p为凸起的间隔，m。由车速及凸起间隔决定频率的起振力，通过轮胎及悬架系统传达到车身。

图4.6.2 周期性凸凹不平路面

第二类路面是随机性凸凹不平路面，如砂石路面、沥青路面，或者是混凝土路。路面上，如果存在一些小粒的石块，就会带给高速通过的汽车轮胎垂直方向的激振力，而该激振力的频率是不定的，在低频到高频范围内都有可能存在，如图4.6.3所示。横轴是用空间频率表示的。空间频率是用（频率）/（车速）来定义，单位是（1/sec/m/sec）=（1/m）。例如一定间距中产生的起振力有其固有的空间频率峰值。

第三类路面是脉冲激励路面（图4.6.4），沥青或混凝土铺装路面。路面上间隔一段距离就会有一处接缝，会带给汽车脉冲式的激振力，该激振力的频率也是与车速及接缝之间的距离有关的：

f∝v/L （4.3）

式中，f为激振力的频率，Hz；v为车速，km/h；L为接缝的间隔，m。

路面激励不受汽车公司控制，但是随着社会进步和经济水平不断发展，现在的路面，包括市区路、高速公路的质量也越来越好，路面带来的激励呈现减小的趋势。

路面激励向车身传递过程中，要经过多个传递路径。为了减小路面激励引起的NVH问题，我们能做的只能是在传递路径和接受体上采取措施。

图4.6.3 随机性凸凹不平路面

图4.6.4 脉冲激励路面

（2）动力总成激励

动力总成激励来自于运动部件的往复惯性力及气体爆发时产生的力矩。如图4.6.5所示为发动机转矩的测试方法。

图4.6.5 动力总成激励

不同类型的发动机其激励形式不同，即使是同一类型发动机，如果结构不同则其激励也是不同的。如何降低动力总成自身的激励是动力总成研发工程师的职责。降低动力总成激励的方法有多种，如提高发动机设计水平和制造精度、增加专门的机构来平衡掉某些不平衡激励等。

（3）风激励

汽车在高速行驶时，受到的主要激励来自于车身与空气的摩擦。为了降低风激励，人们在汽车设计过程中尝试了多种方法。

首先需要做的是降低车身的风阻系数。流畅型车身能够降低气流流过车身时的摩擦力。CFD（空气动力学）分析有助于优化车身结构，最大限度地降低车身的风阻系数，如图4.6.6所示。

图4.6.6 车身周围空气流动

车身外形上有一些突起结构，如刮水器、天线、外后视镜，另外还有一些曲率突变处，如前风窗下边缘、后风窗与行李箱连接处，等等。空气流过这些位置时很容易产生涡流和紊流，引起过大的摩擦激励。因此，在这些位置的设计过程中，一定要注意。

（4）不平衡激励

汽车上有很多旋转运动零部件，如轮胎、传动轴、驱动轴、发动机内部的曲轴、连杆等。这些旋转运动的部件或大或小都有不平衡量，如质量不平衡、刚度不平衡，这些不平衡量会产生不平衡激励。最常见的是轮胎不平衡激励，它直接作用在车轴上，并向车身、转向系统传递，车辆高速行驶时转向盘摆振的激励源就是轮胎的不平衡。因此，对于这些旋转运动部件，都要规定其不平衡量的大小，以控制不平衡激励。(www.xing528.com)

轮胎由于重量、内部刚度、尺寸等的不均匀性，在旋转的时候会有不平衡力发生。当不平衡力过大时，就会通过悬架、转向系统传递到车身，激起车身的振动。轮胎不平衡原因如下：

1）重量不均：轮胎的重量如果以车轴为中心取得平衡，那么说轮胎是静平衡的。当轮胎旋转时，相对于垂直轴及前后轴产生力矩，即为动不平衡。

2）内部刚度不均：轮胎内部刚度不均时，受到车身在上下方向的载荷，在旋转时产生动态不平衡激励，如图4.6.7所示。根据旋转方向的不同，可分为以下几种：

①RFV（Radial Force Variation）：半径方向的激励。

②LFV（Lateral Force Variation）：横向激励。

③TFV（Tractive Force Variation）：前后方向激励。

④STV（Steer Torque Variation）：操舵方向激励。

3）尺寸不均。

①RR（Radial Run Out）：半径方向的摇摆。

②LR（Lateral Run Out）：横向摇摆。

在以上各种激励的作用下发生的车体振动，有中高速时的转向盘摆振（shimmy）、车体摇摆（shake）。

（5）声源

动力总成在工作时会辐射噪声，是典型的辐射声源。动力总成辐射噪声是由多个声源汇合而成的，如缸体、气门室罩壳、机油泵壳、油底壳、变速器壳体等。这些部位都存在局部模态，受到激励作用时，会产生辐射噪声。如图4.6.8所示为发动机各系统对总体噪声的贡献量。

图4.6.7 轮胎受力

图4.6.8 发动机辐射噪声贡献量分析

另外还有一些表面积较大的壁壳类零部件也是辐射声源，如空气滤清器壳体、消声器壳体等。

轮胎是另外一个较大的声源。轮胎与地面接触时，会产生摩擦噪声、泵气噪声等。它不仅是车外通过噪声的主要影响因素，还会通过车身孔洞向车身传递。车辆高速行驶时轮胎噪声的贡献就很大。

2.传递路径

汽车上有大量的橡胶减振元件，如动力总成悬置、排气吊挂、底盘衬套、悬架弹簧等，这些元件是车身激励的主要传递路径。这些传递路径的衰减效果直接影响了整车的NVH性能。例如，对于动力总成悬置，要求隔振率在全频段内不低于20dB，即激励源经过减振元件后，应该降低到原来的1/10以下。为了保证这一点，要求安装点的刚度至少是橡胶件的刚度的6～10倍。汽车上的主要减振元件如图4.6.9所示。

在设计过程中，每一条传递路径都要重点关注，如振动传递函数、噪声传递函数、隔振率等指标。而在解决现实的NVH问题时，传递路径分析（TPA）也是常用而且重要的一种方法。例如，对于怠速振动，激励源来自于动力总成，传递路径包括悬置和排气吊挂，那么每个悬置和排气吊挂，以及每个方向都是一条传递路径。通过传递路径分析，可以确定哪条路径、哪个方向是主要的。那么在采取改进措施时，就有的放矢了。针对特定频率下的噪声，可以了解每个部位的影响程度。

3.接受体

接受体是指与乘员肢体有接触的部位，如转向盘、座椅、地板、变速杆，以及乘员耳边的空气。这些部位的振动（噪声）会被乘员直接感受到。

转向盘模态一般要求不低于35Hz，主要是为了避开怠速时发动机二阶激励。车身的弯曲和扭转模态也和发动机怠速激励很接近，如果车身模态不能做到尽量多地避开发动机激励，那么后期动力总成悬置的设计和调校将会有很大的压力。

车室内是个密闭空间，其中的空气具有特定的模态特性，如图4.6.10所示。第一阶声腔模态一般为40～60Hz，而车身板件具有密度很高的局部模态，万一与声腔模态接近的局部模态被激励起来，将会产生轰鸣噪声，压迫乘员耳膜，使人非常不舒服。如图4.6.11所示为结构局部模态优化对车内声压级的影响。

图4.6.9 汽车上的减振元件

图4.6.10 车内声腔振动模态

图4.6.11 结构优化对车内声压级的影响

有些辐射噪声会通过空气传播的方式向车内传递，如变速器敲击噪声。齿轮啮合激励引起变速器壳体局部共振，产生辐射噪声，并通过车身的一些孔隙向车内传递。如图4.6.12所示为齿轮噪声的改进方案。通过在放射噪声较大的部位铺装质量垫（1kg/m²）+5mm厚毛毡，有效地降低了齿轮噪声。

图4.6.12 齿轮噪声的改进