汽车NVH技术及发展.ppt

2019/12/11,1,汽车NVH技术介绍及发展,第一节引言第二节汽车的振动及控制第三节汽车的噪声及控制第四节声品质第五节汽车振动、噪声测试技术测试,2019/12/11,2,第一节引言,NVHNoise,Vibration,Harshness(粗糙的事物，严肃,刺耳,在汽车界称为声振粗糙度,不舒适性，是指人对振动和噪声的主观感觉)噪声、振动与舒适性。就乘坐而言，当然大家喜欢乘坐轿车了，为什么呢？其原因：速度快；乘坐舒适。,2019/12/11,3,为什么轿车比较舒适呢？振动小。振动的概念，振动的描述量：位移、速度、加速度、频率。对舒适性产生影响的量：加速度值、频率。振动会引起人体内器官的振动或共振，从而诱发疾病的产生。人体感觉最不舒服的频率：4-12Hz，感觉最舒服的频率：1.6Hz散步的频率。乘坐舒适的轿车频率在1.6Hz附近。,2019/12/11,4,人体振动系统模型,不同的著作上数据略有不同！,2019/12/11,5,可见改善汽车的振动和噪声情况很有必要。对于汽车的振动和噪声有国家要求的标准，例如GB1495-2002，不达到标准的汽车不能投放市场，再有振动和噪声大的汽车，顾客不满意，该汽车也将失去市场竞争力。所以国内汽车企业目前已经充分重视汽车的NVH。国际上更是这样，以美国的通用汽车公司为例，设计人员中有1/31/4、CAE人员中有1/3，试验人员中1/2与NVH有关。在汽车NVH方面日本的公司比美国的做的好。目前在汽车上有关的振动与噪声都是控制，但并不是在任何设备上都要进行抑制，振动有有利的一面（例如.），声音也不是越小越好！,2019/12/11,6,第二节汽车的振动及控制,按照与噪声之间的关系，汽车的振动可分成两类，一是可产生噪声的振动（大于20Hz），二是不可产生噪声的振动(小于20Hz)。噪声是由振动产生的，噪声与振动是一家，研究噪声则必然研究振动。它们都是以波的形式传播：横波、纵波、表面波（瑞利波）、板波（兰姆波），传播速度的关系！,2019/12/11,7,可以看出汽车的振源主要有：路面不平度、发动机。另外,传动系振动、制动以及转弯时的惯性力和离心力也可引起车身的振动。再详细地分析：车身的连接点有很多，究竟哪些连接点对车身的振动贡献大？谁贡献大就关注谁，如何进行振源识别？如何确定振动的传递路径？这些都是研究的热点！做研究需要细致的工作！减小振源对车身的激振是减轻乘客振动的重要途径。为此在设计发动机时加以重视；同时良好的路面也是必要的。若路面以及发动机是确定的，要减轻乘客的振动就要研究振动的传播途径。分别讨论这两个振源产生的振动的控制方法以及传动系的振动以及控制。,2019/12/11,8,3、悬架磁流变减振器,悬架系统应能够在不同的路面情况、不同的行驶状态下，使汽车同时具有良好的平顺性和操纵稳定性，主动悬架是可以较好实现这一目的。但是，主动悬架的复杂性、高成本和高能耗致使其实用性和广泛应用受到了限制。于是，基于仅通过调节装置改变悬架系统阻尼的半主动悬架系统受到关注。传统的半主动减振器不易实现阻尼力快速连续调节，且其控制频率的范围较小。以磁流变液为工作介质的磁流变减振器可以实现阻尼力快速无级调节,适于实时控制,且能耗低,在汽车悬架振动控制领域具有广阔的发展前景。,2019/12/11,9,2019/12/11,10,三、传动系的振动控制,传动系：大型客车、货车等传递路线长，结构大，发动机速度低、转速不平稳明显。产生的振动较大一定要采用一定措施减振。变速器中齿轮的啮合间隙导致冲击、振动和噪声。传动轴转速不平稳，质量不平衡导致振动，并传至支承车架、车身，引起振动和噪声。主减速器中齿轮的啮合间隙导致冲击、振动和噪声。,2019/12/11,11,变速器振动及控制,产生机理：扭振引起的齿间冲击控制措施：减小曲轴转矩波动量减小齿轮副轮齿间隙改善齿轮系的扭振特性改善箱体的固有振动特性采取隔振措施改善润滑油对齿轮的作用,2019/12/11,12,传动轴的扭转振动及控制,弹性万向节的高弹性对调谐传动系固有扭振特性和降低传动系动载荷具有显著效果，其内阻尼有助于抑制扭振共振响应幅值。不适于连接夹角较大的两轴。,2019/12/11,13,万向节和传动轴扭振吸振器,2019/12/11,14,主减速器振动及控制,控制措施：减小传动轴输出转速波动和主减速器锥齿轮副啮合误差改善相关各振系的扭振特性弹性隔振和阻尼减振,2019/12/11,15,八十年代初出现（1984，TOYOTA；1985，BMW）作为一种高效广谱减振器，其良好的减振性能已在大量试验研究和实际应用中得到证实改善汽车乘坐舒适性，促进汽车NVH控制技术水平的提高良好的实用性、可行性和市场前景柴油轿车上使用较多,2019/12/11,16,DMF型扭振减振器扭振控制原理,引入低刚度环节降低某一阶或某几阶的固有频率，将其移出常用转速区改善系统的转动惯量分布调谐系统的固有扭振特性设置了适当的阻尼以衰减发动机启动/停机过程中可能发生的共振及冲击载荷引起的瞬态振动,2019/12/11,17,四、汽车整车振动特性研究,汽车是一个复杂的多自由度“质量刚度阻尼”振动系统,它是由多个具有固有振动特性的振动子系统所组成,如汽车车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机曲轴的扭转振动、变速器内部轴系的扭转振动等.从振动的变量特性角度看,可将汽车振动系统大致分为两个振动系统:汽车车身振动系统和动力传动系扭转振动系统.这些不同形式的振动及其耦合,是影响汽车行驶平顺性、舒适性、安全性及汽车零部件使用寿命的主要原因,要改善汽车的整体性能,就必须对汽车的整车振动特性进行深入研究.,2019/12/11,18,1汽车车身振动特性的研究汽车车身振动系统包括车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动、发动机振动、座椅振动等。国内外对汽车车身振动特性的研究起步较早，在理论研究方面已取得较大进展,试验研究也较为成熟.目前对汽车车身振动特性的研究,主要是针对改善汽车的行驶平顺性而进行的,根据研究目的的不同,可将实际车辆系统进行不同程度的简化,然后建立相应的模型,分析研究汽车车身振动特性.常见的振动分析模型有三种:两自由度的四分之一车辆模型、平面四自由度的二分之一车辆模型、三维整车模型。如果车身的质量分配系数接近1，则认为车身前后部的振动是相互独立的,就可以建立代表四分之一车辆的两,2019/12/11,19,自由度模型.用这种模型进行分析时,求解容易,计算量小.但只能分析车身和车轮的垂直振动,因此分析结果的精度不高.早期的有关悬架参数和座椅特性参数优化匹配的研究,大多采用这种模型。目前,在许多有关主动和半主动悬架研究的文献中,也普遍应用这种模型来验证控制理论和控制装置的正确性和有效性。由于这种模型忽略了车身的纵向角振动和侧向角振动，因此，一般用于粗略的定性分析研究中。,2019/12/11,20,如果车辆相对于纵垂面完全对称,并且左右车轮下的路面不平度变化完全一样,则可认为车辆在纵垂面上振动,就可以将车辆简化为代表二分之一车辆的平面四自由度模型.该模型反映了车身的垂直振动和纵向角振动,路面的不平激励输入包括前轮和后轮.四自由度模型分析得到的结果精度高于二自由度模型,因此,在车辆振动预测与平顺性模拟分析、悬架参数优化设计等研究中，平面四自由度模型得到更广泛的应用。,2019/12/11,21,要全面反映车身的垂直振动、纵向角振动及侧向角振动,并把路面通过各车轮将不平激励传递给车身这一特点反映出来,就应将车辆简化为三维立体模型。该模型将四个车轮所受的路面激励的差、以及车身的侧倾对车身振动的影响考虑进来,这就比较真实地反映了车辆振动的实际状况.采用这种模型,还能将前后悬架结构形式的不同组合情况表示出来,即前独立悬架、后非独立悬架、前后都是独立悬架、前后都是非独立悬架等多种组合。,2019/12/11,22,为能更精确地分析车辆振动，有的文献中采用了更复杂的车辆振动模型。如研究长轴距的重型载货汽车的振动时,考虑车架的一阶弯曲和一阶扭转振动,建立了三维十自由度模型，或者为了减小驾驶员座椅的振动，进一步考虑驾驶室本身的三维振动，从而将整车简化为十五个自由度的模型。但是，随着车辆振动模型复杂程度的增加，计算时所需的初始参数也大大增加，如果所有的初始参数不能比较准确地得到，反而会降低计算结果的精度。因此,有学者指出，在建立车辆振动模型时,应考虑在现有的条件下所得到的模型中所需的初始参数的准确数据，不必过分追求模型的复杂程度。,2019/12/11,23,2汽车动力传动系扭转振动的研究,汽车动力传动系,即包括动力总成、传动轴、驱动桥总成组成的系统是一个多自由度的扭转振动系统.当来自发动机、路面产生的周期性扭转激励的频率与动力传动系扭转系统的固有频率一致时,便会发生扭转共振,此时在动力传动系中的某些区段往往产生很大的共振载荷,甚至在齿轮副、花键副间出现敲击,从而影响车辆动力传动系零部件的工作可靠性和产生令人不适的噪声，同时还可能引起车身垂向和纵向振动,影响乘坐的舒适性。因此，建立动力传动系扭转振动分析模型，揭示其扭振特性，寻求降低扭振影响措施，是车辆工程的重要研究课题之一。,2019/12/11,24,车身振动与动力传动系扭转振动耦合的研究汽车车身振动与动力传动系扭转振动耦合,是指汽车车身振动与动力传动系扭转振动之间的相互影响。汽车车身振动和动力传动系的扭转振动不仅有各自的固有振动特性，而且存在振动耦合现象。随着对整车振动特性研究的进一步深入，汽车车身振动与动力传动系扭转振动耦合对整车振动特性的影响，已开始为人所关注，成为又一个研究发展方向。,2019/12/11,25,汽车车身振动与动力传动系扭转振动耦合机理是很复杂的.有人认为汽车车身振动和动力传动系扭转振动在驱动桥的主减速器处形成耦合。当主减速器主动齿轮将驱动扭矩传到主减速器从动齿轮上时,由于扭矩的反作用,主动齿轮在旋转的同时兼作上下方向的运动,使驱动桥围绕半轴作回旋振动，反之，当驱动桥由于外部激励产生回旋振动时，也同样会对动力传动系扭转振动施加扭转激励。还有人认为由于路面激励等因素引起驱动桥垂向振动,使得驱动轮和路面间垂向作用力变化，地面对驱动轮的切向作用力也相应变化，从而通过驱动轮对扭转振动施加扭转激励力矩，因此，驱动桥等的垂向振动与动力传动系的扭转振动形成耦合。,2019/12/11,26,对于汽车这样一个复杂的振动系统，车身振动和动力传动系扭转振动存在各种不同形式的耦合,目前对于其振动耦合机理还有待进一步深入研究。建立全面考虑汽车车身振动、动力传动系扭转振动及其相互间振动耦合的整车振动综合分析模型,是掌握分析整车振动特性的前提.目前有关的汽车整车振动分析模型,都是基于车身振动、动力传动系扭转振动在驱动桥主减速器处形成耦合的假设，进行建模的，且所考虑的外界激励不全面，建模方法单一，未能取得令人满意的精度。,2019/12/11,27,4汽车整车振动特性研究的发展方向,综观汽车整车振动特性的国内外研究概况可知,对汽车车身振动和动力传动系扭转振动特性各自研究的已相对成熟，传统的理论计算、试验模态分析、模态综合方法和有限元法得到了综合应用，所建模型具有一定的精度，结合试验研究,能解决一些与汽车行驶平顺性、动力传动系扭转振动相关的实际问题。汽车车身振动与动力传动系扭转振动耦合的问题是很复杂的,目前在这方面的研究还不够深入,对其振动耦合机理的了解也很不全面,所建立的考虑车身振动、动力传动系扭转振动及其相互间振动耦合的汽车整车振动综合分析模型的精度不高。因此，对于汽车车身振动和动力传动系扭转振动耦合问题，在耦合机理和系统建模等方面尚待深入研究。,2019/12/11,28,在今后一段时间内将主要集中在以下几个方面.(1)深入探索汽车车身振动和动力传动系扭转振动的耦合机理。建立能全面反映车身振动、动力传动系扭转振动及其相互间振动耦合的汽车整车振动特性分析模型，结合试验研究,完整地揭示汽车整车振动的固有模态特性、激励特性和响应特性.(2)在汽车整车振动特性研究的建模方面,应考虑将理论建模技术和试验建模技术相结合,提出更有效新的建模方法。(3)确定能体现汽车整车振动特性的综合评价指标。建立整车振动特性优化数学模型,利用神经网络、遗传算法等先进的数学工具求解数学模型,提高运算效率和计算结果的精度,以改善汽车的整车振动特性.,2019/12/11,29,第三节汽车的噪声及控制,汽车的噪声有两类：车内噪声、车外噪声。车内噪声直接影响的是乘坐舒适性和产品的竞争力，所以企业重视车内噪声的治理是必然的，投入了大量的资金进行低噪声设计和治理，而车外噪声影响的是环境，之前企业并不十分重视，自GB1495-2002发布后，（不达到标准的汽车不能投放市场），企业也拿出了大量资金用于车外噪声的治理。,2019/12/11,30,一、车内噪声,可以分析出汽车的车内噪声声源主要有：发动机噪声、传动系统噪声、排气噪声、进气噪声、轮胎噪声、车身结构振动产生的噪声。这些噪声源对车内噪声产生影响有两个途径：通过空气由结构上的小缝隙传播、通过结构向车内辐射。在此先介绍发动机噪声、轮胎噪声和车身结构振动产生的噪声及控制。,2019/12/11,31,在发动机各种噪声中，发动机表面辐射噪声是主要的。发动机表面辐射噪声由燃烧噪声和机械噪声两大类构成，是由发动机内部的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、缸体（引起缸体的振动）和油底壳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。,2019/12/11,32,3、车身结构噪声及控制,汽车在行驶时，即使路面十分平整、发动机的噪声很小、轮胎产生的噪声也很小时，也常常在车内听到低沉的“嗡嗡”声，这种声音主要是由车身振动产生的噪声。这种低频噪声通过吸声很难消除，一般与车内空间的形状有直接关系。可靠、有效的方法是在设计阶段就进行预测，通过CAE方法预测噪声状况，然后做出结构修改，改善乘客耳旁噪声环境。新的技术是车内噪声的有源声控制、有源力控制，最新的是有源声学结构，也称自适应声学结构、有源声学层。,2019/12/11,33,有源声学结构,有源声学结构也称自适应声学结构、有源声学层或有源声学泡沫。它是机敏结构或智能结构在噪声控制中的应用。有源声学结构将次级力源、检测声场的传感装置、嵌入式的智能微控制器集于一体，成为一个独立使用的结构。微控制器中具有智能特性的算法可以自动调节次级源的输出强度，使整个声学结构随时获得最佳声学特性。目前处于研究阶段，理论、方法还很不成熟。,2019/12/11,34,4、车内噪声控制总结,到目前为止，车辆内部噪声控制主要针对噪声的传播途径采取以下措施：（1）改善车身结构的密闭性能，防止外部噪声经由孔隙传到车内；（2）采用多层隔声结构对发动机等外部噪声源进行隔离；（3）在车身与底盘各连接处、发动机支承处等联接部位采用隔振、减振措施降低振动向车身的传递；（4）在车身表面采用阻尼吸声材料，改善壁面的振动特性，吸收降低车辆内部噪声；,2019/12/11,35,（5）改进车身的结构，改进车身的声学特性，避免车身结构共振并降低车辆在高速行驶时的空气动力噪声；（6）采用先进的电子设备，采用噪声主动控制的有源消声、智能消噪等。这些方法的运用使得车辆内部的噪声水平有了很大的改善，但由于这些方法的局限性，车内噪声的水平还没有达到令人满意的程度，尤其是在高速车中，噪声问题仍是一个急需解决的问题。,2019/12/11,36,噪声的智能控制是人们不断研究探索新的噪声控制方法的结果。噪声智能控制是利用智能结构的优良特性控制结构振动从而控制结构内部噪声的控制方法。噪声智能控制思想的提出是由智能结构与智能材料的特性及噪声的传播机理共同决定的。近些年来的研究结构表明，智能结构具有良好的控制结构振动与变形的能力，而车辆结构内部的噪声主要是由于某种原因车身及其它部件的振动而产生的。所以噪声智能控制的机理就是利用智能结构控制结构的振动从而控制车辆结构的内部噪声。,2019/12/11,37,噪声的智能控制不同于传统的降低车内噪声的方法，和有源消声的噪声主动控制比较，由于智能传感器和执行器的高度集成化，智能控制采用的直接反馈方式，因此，智能控制无论从控制机理来还是控制效果来讲，都明显好于有源消声的主动控制。将噪声的智能控制应用于实际的车辆内部的噪声控制中，辅之以传统的方法，必将收到一个非常好的控制效果。,2019/12/11,38,道蒂公司研制成功了基于有源声控制的主动式控制系统，并由多航家空公司的飞机所采用，例如萨伯公司在其数百架SAAB340B型飞机上进行使用，舱内降噪明显，该系统是利用次级源在特定区域内产生与声源反相的声音，从而使得声能量减弱。近年来国内也积极开展了舱内噪声的有源控制研究。西北工业大学与西安飞机公司在1996年针对运七联合研制了一套舱内噪声控制系统，并进行了试验，取得了良好的降噪效果。基于压电智能结构飞机座舱振动噪声主动控制理论和技术正在处于研究中，据称NASA投入大量资金进行研究，国内南航正在进行有关研究。,2019/12/11,39,二、车外噪声,由于汽车保有量的增加,汽车的噪声问题日益严重,已成为当今世界最主要的环境噪声污染源。随着人们环保意识的增强和对生活品质的重视,汽车的噪声问题得到广泛关注,如何降低噪声辐射已成为提高汽车性能和品质的关键问题。2002年国家发布了强制标准：GB1495-2002。该标准对各类汽车的车外噪声有严格要求，不达此标准，不能投放市场。例如对于M1类汽车车外噪声：自2002.10.1到2004.12.30不得大于77dB(A)，自2005.1.1后不得大于74dB(A)。而欧洲目前的标准是72dB(A)。要达到国标要求的噪声水平，办法是控制声源和传播途径。,2019/12/11,40,车外噪声的声源：动力总成（发动机+变速器）噪声、冷却系统噪声、排气系统噪声、进气系统噪声、传动系统噪声、风噪声和轮胎噪声等。其中动力总成噪声、排气系统噪声、进气系统噪声、轮胎噪声影响最大，此4种噪声源称为4大源。对于有些汽车若车身单薄，有可能车身产生的噪声也有较大贡献，若冷却风扇与曲轴是定传动比，也有可能冷却风扇的气动噪声有较大贡献。,2019/12/11,41,对这些噪声的治理：低噪声设计、吸声、隔声。低噪声设计是治本的良策，但难度最大，对已设计完成的汽车，只能采用吸声、隔声。,2019/12/11,42,国内外低噪声设计：从汽车低噪声设计、研究水平及技术方法来看，国内、外差距也较大。国外由于法规要求非常严格,以及激烈的市场竞争,使得汽车生产厂家对汽车产品的噪声控制都非常重视,都有专门的噪声研究及设计队伍,同时还和大量噪声科研机构及大学订立合同，开展降噪技术研究。他们把低噪声汽车产品的设计制造作为产品开发的主要目标之一，从整车到零部件均制定了相应的控制目标。,2019/12/11,43,从设计、工艺、制造等各个环节都围绕实现低噪声产品而开展。他们大都有先进的试验室和试验设施。国内已经开始重视车外低噪声设计。在建或完成了多个大型半消声室。同济大学、一汽技术中心等。很多企业建立了自己的道路模拟实验机。,2019/12/11,44,2019/12/11,45,2019/12/11,46,2019/12/11,47,用Sysnoise做外声场图,2019/12/11,48,2019/12/11,49,第四节声品质,对汽车以及零部件进行低振动和噪声设计、隔（振、声）与吸（振、声）研究，很多企业、高校与科研部门都在进行这方面研究。目前一个最新动态：声品质（或质量）研究。,2019/12/11,50,安静并不等于好以前，产品的声音效果被简单的归结为噪声的大小：噪声越小，声音质量也就越好。随着研究的深入，人们发现不同产品的声音即使强度相同，给人的感觉也不一样，有的声音比较柔和易于让人接受，而有的声音却会使人感到不舒服。在德国，一家割草机厂家推出的一款新产品在进行用户调查时，收到很多用户不满意的问卷。用户认为新产品的功率与以前相比有所降低，割起草来比以前要慢。而实际上，新产品的功率与以前完全一样，厂家只是通过改进降低了产品的噪声。,2019/12/11,51,这个例子说明，产品的声音并不只是令人烦躁的“噪声”，它会传递给用户关于产品的某些信息，是对产品特性的一种描述。因此，声音质量的好坏不是简单的噪声大小所能衡量，而需要与用户对产品特性的期望联系起来。同样若赛车的声音很小的话，会感觉如何呢？人造噪声响鼓。,2019/12/11,52,产品的声音可以被分成三类：被动声：产品被碰触时发出的声音，如开关车门的声音。这类声音往往影响到用户对产品的第一印象。运转声：产品长期稳定工作时发出的声音，如发动机运转的声音。信号声：产品告知用户将要执行某项功能或某项功能已经完成的声音，如手机开机或按键的声音对不同类型的声音，评价标准也不同，如“被动声”要悦耳舒服，“运转声”要尽可能不让用户感到厌烦，该大则大、该小则小，而“信号声”则要尽可能的引起用户的觉察。总而言之，声音质量是产品质量的重要表现，会影响用户对产品整体质量的判断。,2019/12/11,53,为了提高产品的声音质量，需要在产品设计阶段引入声设计(SoundDesign)。通常，需要先设计一个产品的原型，然后将产品的声音录制下来，然后从产品的目标用户群中挑选一定数量的人对其声音质量进行主观评价。如果结果令人满意，则声设计的过程结束。否则就需要用分析软件对产品的声音特性进行进一步的分析。或许你会发现某些频率成分可能是导致声音质量差原因，那么你可以将这些频率成分滤除，然后再对修改过的声音进行主观评价。如果其声音质量得到了提高，那么就要分析这些“有害的”频率成分出现的原因，然后想办法修改产品原型，阻止这些频率成分出现。然后再重复上述过程，如此循环，直到产品的声音质量令人满意为止。虚拟样机的声音！,2019/12/11,54,根据