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汽车n v h 正向设计探讨 摘要 汽车n v h 是未来汽车的主要研究方向之一，将成为评价汽车的核心参量之 一，具有广阔的应用前景和空间。 论文对汽车n v h 技术领域的研究现状及发展趋势进行了阐述，介绍了汽车 n v h 的概念和分类。对汽车n v h 特性研究方法、汽车n v h 设计常用方法、整车 n v h 目标建立和分解、各子系统n v h 目标确立、c a e 仿真分析、整车n v h 性能提 高等主题进行了探讨，旨在为国内汽车工程领域相关工作开展提供必要的信息、 启发与借鉴，进而总结出汽车n v h 正向设计流程，并利用该流程和汽车噪声振 动控制要点，对汽车n v h 性能优化设计方法进行归纳。 课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 对n v h 问题的种类、评价标准，以及汽车n v h 的分析方法和常用设计 方案进行了总结和探讨； ( 2 ) 阐述用户需求定义库建立方法，确定了车辆n v h 性能参数，依此总结 出车辆n v h 性能优化对象； ( 3 ) 确定汽车n v h 设计目标和设计要点； ( 4 ) 提出整车n v h 正向设计流程； ( 5 ) 根据整车n v h 正向设计流程和汽车噪声振动控制常用方法，针对具体 车型n v i t 问题提出优化措施。 关键词：n v h ；模型；材料清单；质量功能展开法；模态分析 d i s c u s s i o no no r d i n a ld e s i g nf o ra u t o m o t i v en v h a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fa u t o m o t i v en v hi so n eo ft h em o s t l yf u t u r ed e v e l o p m e n t a s p e c t s n v hw i l lb e c o m eo n eo ft h em o s tc o r ep a r a m e t e r s a n dh a sc a p a c i o u s a p p l i a n c ef o r e g r o u n da n ds p a c e t op r o v i d en e c e s s a r yi n f o r m a t i o n ，i l l u m i n a t i o na n dr e f e r e n c et od o m e s t i c a u t o m o t i v ee n g g n e e r i n gf i e l d ，s o m es t a t u so fu p t o - t h e - m i n u t er e s e a r c ha n dt r e n d so f d e v e l o p m e n ta b o u tv e h i c l en v ht e c h n o l o g ya r es u m m a r i z e di nt h ep a p e r ，w h i c h c o m e sd o w nt ot h es u b j e c ta b o u tt h ec o n c e p t i o na n ds o r t so fn v h ，t h ec 0 1 t u n o n m e t h o d so fs p e c i a l i t yr e s e a r c hf o rn v hd e s i g n ，t h em e t h o d so fn v hd e s i g n ，t h e a n a l y s eo fc o m p l e t ea u t o m o t i v en v ht a r g e t ，t h ee s t a b l i s b x a e n to f e a c hs u b s y s t e m s n v h t a r g e t ，c a es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ei m p r o v e m e n to fc o m p l e t ea u t o m o t i v e n v h t a r g e t t h e nm a k eas u n m l a r ya b o u tt o p - d o w nd e s i g nf l o wo fa u t o m o t i v en v h i no r d e rt ob r i n gi n t oe f f e c t i n gn v h d e s i g nt e c h n o l o g yi nd o m e s t i c 1 1 1 em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r e 鹪f o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ec a t e g o r i e so f n v hp r o b l e m sa n dt h ee v a l u a t i n ge r i t e r i o u s ， a sw e l l 器a n a l y s i sm e t h o d s & t h ec o m m o nd e s i g np r o j e c t sf o ra u t o m o t i v en v h d e s i g n ( 2 ) e x p a t i a t e h o w t os e t u p d e f i n i t i o n d a t a b a s e f o rc o n s u n l e r s r e q u i r e m e n t a n d h o wt ot e s tc a p a b i l i t yp a r a m e t e r so f a u t o m o t i v en v h ，t h e r e b y ，s u mu pt h eo p t i m i z e d o b j e c t s ( 3 ) a s c e r t a i nt h et a r g e ta n dt h eo u t l i n eo f a u t o m o t i v en v h d e s i g n ( 4 ) b r i n gf o r w a r dt h et o p d o w nd e s i g nf l o wf o rc o m p l e t ea u t o m o t i v e n v h ( 5 ) b r i n gf o r w a r ds o m em e a s u r e st oi m p r o v ea u t o m o t i v en v hb a s e do nt h e p r o j e c ta n dt h ep r i n c i p l eo f t h ec o n t r o lp r i n c i p l e so f a u t o m o b i l e sn o i s ea n dv i b r a t i o n k e yw o r d s ：n v h ：m o d e l ；b i l lo f m a t e r i a l ：q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ： m o d a la n a l y s i s 图1 1 2 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图2 3 图3 _ 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 - 2 0 图3 - 2 1 图3 2 2 图4 1 图4 - 2 图5 1 图5 2 图6 1 图6 2 图6 - 4 图6 5 图7 1 图7 2 图7 3 图7 - 4 图7 - 5 图7 - 6 图7 - 7 图7 8 图7 - 9 插图清单 我国与发达国家加速通过噪声差值图一l 整车低频n v h 特性的研究过程1 4 h e a d 公司的模拟人头声学测量仪和a r t e m i s 系统1 7 驾驶员右耳噪声阶比分析图谱1 8 驾驶员右耳空档怠速噪声测量图谱1 8 驾驶员右耳空档定速噪声测量图谱1 9 驾驶员右耳空档定速噪声测量图谱1 9 排气噪声阶比分析图谱1 9 排气管口空档怠速噪声测试图谱。1 9 排气管口空档定速噪声测试图谱2 0 发动机右悬置振动阶比分析图谱2 0 某车型发动机定置振动三维谱图2 3 某车型定置前悬置振动曲线二维图2 3 高速通过噪声分解图2 4 通过噪声露天试验场2 4 室内通过噪声测试与传声器2 5 a r t e m i s 数据采集系统图2 6 a r t e m i s 分析功能图2 6 d a s p 功能分析图2 7 多通道数据多文件存储和文件头信息携带2 7 事件结构集成用v is e r v e r 技术调用的自相关子模块2 7 l m s 的v i r t u a l l a b 工作模块部分仿真分析图。2 8 m t s 系统公司的部分产品和功能图2 9 e t a 公司的y p g 软件工作效果图3 0 s i g h t n a 公司的i s i g h t - f d 软件设计策略图3 0 _ 20 n v h 观点的汽车系统图。3 4 n v h 问题处理方案框架图3 4 整车n v h v 型正向开发流程3 6 汽车n 、r h 设计流程图3 8 结构阻尼效应4 3 车身结构设计流程图4 3 单激励力和单一途径的力传递分析模型刚性连接4 7 单激励力和单一途径的力传递分析简单模型弹性连接4 8 响应产生原理图5 0 通用的源传递路径接受体模型图5 0 汽车噪声振动的源传递路径接受体模型图。5 1 汽车通常需要加强结构的位置示意图5 3 汽车需要结构加强的区域示意图5 4 汽车顶盖、地板、侧围、四门和两盖的阻尼设计图5 4 汽车噪防火墙的吸音、隔热、隔振阻尼设计图5 5 汽车地板阻尼方案图5 5 汽车需要阻尼处理的常见部位图5 6 图7 1 0 图7 1 l 车身模态测试系统流程图5 6 白车身模态测试图 表格清单 表2 _ l常见汽车噪声的形式列表6 表2 2传动系统汽车噪声的表现形式7 表2 _ 3结构声表现形式和频率范围列表7 表2 - 4空气声表现形式和频率范围列表8 表3 - 1汽车n v h 操作条件列表1 5 表3 - 2n v h 评价状态参数表15 表3 - 3噪声与振动主观定级评分级别1 6 表3 q振动量级与主观评级之间的关系2 2 表3 - 5频率计权函数表2 2 表6 - 1某六缸发动机轿车的部分模态频率规划表4 5 表7 - 1无阻尼白车身所有振型描述5 7 表7 - 2有阻尼和增强材料白车身所有振型描述5 8 表7 - 3主振型对比关系列表5 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得佥鲤王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位敝作者签名：而试民 签字日期：o 年 i 学位论文版权使用授权书 b 月驴 本学位论文作者完全了解盒蟹工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权鱼 目b 王些态差可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作者签名：瓦斌民 刷磋名 签字魄。 年泸中 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：安徽江淮汽车股份有限公司 通讯地址： f 岛妊 扩 签字日期：。产月铲日 电话：1 3 8 6 5 9 4 0 7 4 0 邮编： 致谢 时间真如白驹过隙，转眼问我的硕士求学生涯即将过去，回首过去三年的 岁月，无论在学习、科研，还是在生活中的各个方面，我都得到了许多老师、 朋友和同学的悉心照顾，点点滴滴我都将永远铭记于心。 首先，感谢我尊敬的导师陈心昭教授。在三年攻读硕士学位期间，陈老师 无论是在学习上还是在生活上都给了我极大的关心和帮助，使我得以顺利完成 硕士研究生阶段的学习。陈老师渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术思 想、以及积极进取的科研精神是我终生学习的楷模。在此谨向陈教授致以衷心 的感谢和崇高的敬意! 本文是在我尊敬的老师陈剑教授的悉心指导下完成的。陈教授广博的 知识、严谨的治学态度给我留下了很深的印象，并使我受益匪浅。在课题研究 过程中，陈老师以他独特的思考方式、丰富的实践经验，解决了我所遇到的疑 惑和难点。而且，在学习和生活上，陈老师也给予了我无微不至的关怀。值此 论文完成之际，谨向我的陈老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 本论文还得到其他许多热心的老师和同学的指导和帮助。在车身模态分析 中，得到了吴赵生和钟秤平同学的指导；还有李令兵、陈辉、汪念平、高煜和 宋萍等同学在我研究生的学习和课题研究过程中都给予过热情的帮助。在此对 他们一同表示感谢! 最后感谢我的父母和亲人，感谢他们这么多年来对我的支持和关怀，正是 他们无私的关爱和辛勤的付出，使我能在艰难的环境中迈出一个又一个坚实的 步伐，谨在此寥寥数语聊表我的感激之情，拳拳之意，永藏于心。 范习民 2 0 0 7 5 第一章绪论 1 1 研究汽车n v h 设计的意义 现代汽车的技术发展方向主要包括：安全、环保、信息化、低成本和舒适住。 其中，舒适性的提高主要依赖于汽车n v h 技术的发展和支持f 1 1 。如图1 1 所示； 图1 - 1现代汽车技术的主要发展方向 随着发动机功率的不断提高，噪声与振动已成为汽车开发工程中最主要的问 题之一。据统计，欧盟对通过噪声的限制要求从1 9 7 0 年的8 2 d a ( h ) 到1 9 9 5 年的 7 4d b ，噪声降低了8d b ( a ) ，平均每年的车内噪声约降低0 3d b ( h ) 2 1 。目前 国内亦颁布了新的汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法( g b l 4 9 5 2 0 0 2 ) ，规 定：国内m i 、m 2 型车的车外噪声在8 0 d b ( a ) ，但是实际噪声水平偏高2 - _ 4d b ( a ) ，要实现这个标准还有很多工作要做，而且与欧洲规定的最低通过噪声7 4 d b ( a ) 差距明显( 见图1 - 2 ：我国与发达国家加速通过噪声差值图) 。 图1 2我国与发达国家加速通过噪声差值图 随着汽车的日益普及，对汽车舒适性的要求日益提高，环保意识的日益觉醒， 车外噪声控制相关环保法规及标准的目益严格，人们对作为提高汽车舒适性和 控制车外噪声的核心内容和主要评价参数汽车n v h 的研究变得日益紧迫。 根据1 9 9 6 年欧洲汽车市场的调查显示，由于汽车的性能、质量等方面均已达到 较高的水平，因此顾客对乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于汽车款式。 根据最新的统计，在汽车质量方面，约1 ，3 的产品质量和品质问题与汽车 n v h 有关；在维修费用方面，约1 5 的保修费用与汽车n v h 相关。可以预见， 汽车n v h 将是汽车工业角逐的主战场，其性能参数将直接影响汽车企业的生存 与发展。对于中小型汽车，市场的激烈竞争严格约束了汽车的重量、价格等因 素，这就使以改善汽车乘坐舒适性为目的的汽车n v h 特性的研究变得更加重要。 目前，汽车n v h 的研究已经成为各汽车厂家和汽车零配件厂家的当务之急，提 高汽车n v h 研究水平和工程应用，加紧对整车n v h 控制技术的研究，对占领 现代汽车技术发展的战略制高点已经时不我待、迫在眉睫。 另外，国外一些汽车公司已将噪声振动控制的理念和技术纳入到新车型设计 流程的关键环节，例如概念设计、技术设计以及改进设计等阶段，以期从设计 源头上确保车辆的n v h 品质 3 - 6 】。 因此，研究汽车n v h ，建立汽车n v h 正向设计流程，具有十分重要的意义， 可以： 适应汽车产品持续改进的趋势，提高我国汽车的核心竞争力； 满足汽车用户对汽车舒适性不断提高的需求； 应对市场的激烈竞争； 符合通过噪声限制日益严格的法规要求； 降低汽车部件由于振动引起的早期失效风险； 提高汽车零部件的强度，延长汽车零部件的使用寿命等。 1 2 汽车n v h 设计的国内外发展与现状 汽车n v h 特性影响到汽车的乘坐舒适性、噪声水平等汽车品质问题，n v h 实验验证技术是整车开发过程中的重要环节。各大汽车公司均非常重视汽车 n v h 技术的研究工作，国外著名大汽车公司，如通用( g m ) 、福特( f o r d ) 、克 莱斯勒( c h r y s l e r ) 、大众( v o l k s w a g e n ) 、丰田( t o y o t a ) 、本田( h o n d a ) 和日 产( n i s s a n ) 等，都设有专门的汽车n v h 研究部门，解决生产和产品开发中的 噪声、振动和乘坐舒适性问题，并根据不同的车型采取不同的n v h 控制措施。 汽车工业发达国家经过长期的研究和实验积累，已经形成了一套相对成熟的 汽车噪声振动分析、控制和产品声学设计方法，可以在产品设计阶段对产品的 声学性能进行分析、评价和修改，实现汽车产品的动态择优声学设计。国外经 济型轿车( 在怠速到1 2 0 k m h 之间) 的车内噪声控制在4 0 6 2 分贝，1 0 0 k m h 车 内可以正常谈话和听音响。至于重型汽车的最大噪声水平，车外噪声已降低到 8 0 d b ( a ) ，驾驶室内的噪声也降低到6 5 - 7 2 r i b ( a ) ，与轿车的噪声水平相当接近。 1 0 多年前，t o y o t a 公司开发的新一代豪华轿车l c x u s4 0 0 ( 莱克斯) 取得了 2 巨大的成功，车部十分安静。成功的关键在于其对样车进行了全面系统的实验 研究，查明了样车噪声振动的来源和产生机理，找到了样车n v h 性能偏低的原 因。在此基础上，采用实验研究确定了三大降嗓减振措施，即采用n v h 的隔声 新型结构隔声性能较好的“三明治”式钢板在两块钢板间填充沥青或其 他隔声材料；采用双层油底壳降低发动机b o o m i n g 声；采用动力总成液力悬置， 双向隔离动力总成与车身之间的振动，减小了整车噪声振动。t o y o t a 公司将这 一专利技术应用于后来一系列轿车的减振降噪中，如c a n a r y 、c o r o l l a ，取得了令 人瞩目的成效，两款车的n v h 品质得到很大提升，成为全球最畅销车之一。 其他国际大汽车公司也不甘示弱，2 0 世纪9 0 年代以来，通用( g m ) 、福特 ( f o r d ) 、克莱斯勒( c h r y s l e r ) 等大汽车公司的工程研究中心都专门设立了n v h 实验验证部。通用汽车于2 0 0 4 年6 月在上海设立了泛亚汽车技术中心，建立了 全球同步标准的噪声振动实验室，于2 0 0 6 年4 月投入使用。f o r d ( 福特) 公司在 南京成立了轿车n v h 实验验证分析中心，它的r & d 工程中心总工程师、n v h 分部经理d a v i dt a o 指出： n v h 是汽车工业角逐的新战场，它向消费者有力 地证明了产品的质量。” 德国汉高股份有限公司经过三、四十年来对实验室测试分析能力的建设，拥 有了很强的材料测量、分析、实验研究能力，研制出了一系列汽车n v h 减振降 噪产品，成为全球最大的n v h 材料供应商。 我国的n v h 理论研究和实验研究起步较晚，在上世纪末期才有些汽车厂家 对汽车变速箱、动力总成、悬置系统等部件的n v h 特性进行实验研究，还没有 达到对汽车整车n v h 特性研究的高度和深度。但随着v i i 问题的突显，n v h 的实验研究已日趋重要。开展该领域研究较早的单位有合肥工业大学、上海泛 亚、上海同济同捷科技股份有限公司、吉林大学、清华大学。同捷汽车设计工 程研究院c a e 仿真与分析研究分院通过对不同车型的仿真分析优化项目的实 施，积累了经验，该公司的n v h 技术力量正不断增强，逐渐向国际先进水平靠 拢。合肥工业大学从1 9 8 4 年开始就开始了振动噪声方面理论和实验研究，近5 年来，采用汽车n v h 实验分析与c a e 仿真技术对江淮汽车、奇瑞汽车、金龙 客车等企业的多款车型进行了实验研究和分析，为企业产品的n v h 性能提升， 做出了十分重要的贡献。 目前，国内开展汽车n v h 实验工作较早的汽车生产企业大多为合资公司。 建立的汽车n v h 实验分析系统多采用外方母公司引进规定的商用软、硬件系 统构成为刚性的，即不具备扩展性，又不能了解其中的关键技术。在n v h 实验 分析平台方面，基本上没有我国自主知识产权的系统应用在汽车工业界。 1 3 课题来源和研究内容 某汽车公司根据客户对其生产的某s r v 车的n v h 性能评价不佳的回馈信 息，( 试验样车测试) 做出迅速反应，经实车测试，发现其整车n v h 性能上确 实存在着不足之处，主要表现为：在怠速时有较强烈的整车共振现象；仪表板、 后视镜以及座椅地板和方向盘的振动过大；乘车舒适性不高等。这些症状可以 归结为汽车n v h 性能不足，需要从整车及部件角度对其进行n v h 优化设计。 因此本课题总结了n v h 的基础知识体系，对该车利用整车n v h 设计知识，对 车身系统等主要部件及各子系统提出n v h 优化设计方法，总结出整车n v h 设 计流程，并着重论述了传递路径分析与n v h 优化设计方法，利用阻尼材料优化 其n v h 性能，同时利用模态实验验证效果。 本文的主要内容可以分为以下几点： ( 1 ) 对n v h 的定义作了比较详细的介绍，归纳出汽车n v h 的研究目标、 汽车n v h 的特征描述和性能评价方法，总结了汽车n v h 研究技术和方法。 ( 2 ) 对以包括n v h 评价的操作环境、评价指标，以及主观和客观评价的参 数与汽车n v h 性能的经验评价位主要内容的汽车n v h 评价体系作了阐述，并 介绍了目前最常用、最先进的n v h 数据采集和分析软件系统，为汽车n v h 性 能的评价提供了完整的评价体系。 ( 3 ) 对以客户需求定义、整车n v h 目标的确定和分解为主要内容的汽车 n v h 目标确定作了探讨；归纳出n v h 的设计要点：总结出常用的n v h 问题处 理方案。 ( 4 ) 设计出v ”型n v h 正向开发流程，并介绍了详细的设计步骤，对流程 中的关键点进行探讨，为汽车整车n v h 开发设计提供流程指导。 ( 5 ) 以完善车身设计、对激励源的准确分析和识别、整车模态及频率规划、 运用响应流程优化控制和使激励传递衰减为主要内容的汽车噪声振动控制的主 要内容进行综述，为改善汽车n v h 性能指出需要研究改善的方向。 ( 6 ) 研究了汽车n v h 性能的优化方法；根据激励源传递路径响应 这个噪声振动系统模型，总结了振动与噪声传递路径的控制方法，为汽车n v h 性能控制和优化目标提供了参考。 4 第二章汽车n v h 基础知识概述 2 1 汽车n v h 的定义 汽车n v h 是指汽车的n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 和h a r s h n e s s ( 舒适 性) 。汽车n v h 研究以提高顾客的听觉、触觉、视觉等感官舒适度、改善汽车 乘坐舒适性为目的，以提高车辆结构动态响应性能为手段，实现汽车的舒适性 设计。 n o i s e ( 噪声) 是指引起人烦躁、音量过强而危害人体健康的声音。汽车噪 音不但增加驾驶员和乘员的疲劳，而且影响汽车的行驶安全。它是n v h 问题中 最主要的部分，常用声压级评价。汽车噪声主要包括车身壁板产生的噪声、空 气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源( 如发动机、制动器等) 传入的噪 声。汽车噪声是城市环境主要的噪声源，必须严格控制。 v i b r a t i o n ( 振动) 描述的是系统状态的参量( 如位移) 在其基准值上下交替 变化的过程。汽车振动主要包括由路面不平整而引起的车身垂直方向振动、发 动机的不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮的摆振和传动系的扭转摆动 等，还有方向盘、仪表板等振动，其频率范围在1 8 0 i - i z 。 h a r s h n e s s ( 舒适性) 指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声 相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能直接用客观 测量方法来直接度量。总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人 感到疲劳的程度【卜州。 2 2 汽车n v h 研究的终极目标 从本质上讲，汽车n v h 特性研究的就是汽车振动和噪声问题，但它和以往 的研究有着较大的区别。首先，汽车n v h 特性的研究是建立在大型的 g 缸c a l 洌巴气e 开发分析软件基础之上的，建立的模型更加准确，更能反映原 车的实际情况，日益完善的算法更加保证了计算结果的可信程度 9 1 。这也说明计 算机仿真技术在车辆振动噪声研究领域中的地位已经大大提高了。其次，汽车 n v h 特性的研究不仅仅局限于振动噪声的范畴，还包括汽车零部件设计以及强 度和可靠性分析等内容，其中最重要的就是在高行驶里程下汽车关键零部件的 磨损对n v h 特性的影响以及灵敏度分析等问题【8 】。另外，汽车n v h 特性的研 究应用于汽车产品的设计过程中，基本上与整个开发过程同步进行的，在分析 中发现的问题可以在开发过程中及时得到修改，而不必等到生产出样车之后， 从而节省了大量的时间和资金。 长期以来，有关发达国家对汽车噪声振动控制问题给予了高度重视，积累了 丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验。然而，由于汽车噪声 振动问题的复杂性，该领域目前仍然存在着大量的理论和技术空白，其中有许 多是世界性的难题。这意味着相对于汽车技术的其他方向，在汽车n v h 研究领 域中目前尚未形成发达国家技术垄断的格局。国内汽车行业应当充分把握这一 时机，在跟踪、学习国外先进技术以形成“后发优势”的同时，通过自主创新力求 在短期内取得某些方面的率先突破，从而带动汽车n v h 技术的整体跨越式发展 1 1 0 。 汽车n 研究的最终目标： 1 、在设计阶段对汽车产品进行分析、预测和设计，建立汽车n v h 设计方法、 汽车整车c a e 与动力学仿真分析方法、各系统( 悬架、转向、制动、动力传动、 排气系统) n v h 设计方法，汽车内部的声品质设计、虚拟样机噪声评估技术等。 最终的汽车n v h 应用研究目标： l 、建立汽车n v h 正向设计分析系统，制订开发流程、设计规范、建立基础 数据库，建立汽车n v h 正向设计软件系统等； 2 、研究汽车噪声振动控制施工工艺，建立汽车减振降噪的工艺方法，形成 车内噪声的主动与半主动控制方法体系，建立吸声隔声材料与阻尼材料库； 3 、研究汽车噪声振动测量分析试验技术，建立测试分析方法、试验技术、 试验规范等； 2 3 汽车n v h 特征描述 2 3 1 常见汽车噪声的表现形式 常见汽车噪声有其特有的表现形式，其声特征与客观测量有较密切的联系， 例如频率范围f l l 】。 表2 - 1 给出了大部分已定义的声特征和频率范围。 表2 - l常见汽车噪声的形式列表 常见汽车噪声声学描述 隆隆声( b o o m )2 0 1 0 0 f i z 的低频声 咯咯声( c h u c k )低音量的短促而尖利的声音 沉闷的金属声( c l u n k )低中频瞬间噪声 嗡嗡声( d r o n e )1 0 0 - 2 0 0 h z 范围内大振幅单一音质的声音 鼓鸣声( d r u m i n g )低沉声音 引擎声( e n g i n ep r e s e n c e )类似引擎发出的声音 咆哮声( g r o w l ) 缓和的低，中频宽声带噪声，1 0 0 2 0 0 h z 受压迫发出的嘎吱声( g r o a n )有明显的时间跨度和音质内容的瞬间宽频噪声，5 0 - 2 5 0 f i z 撞击隆隆声( i m p a e $ b o o m ) 瞬间低频噪声，有剧烈的调性成分，2 0 1 0 0 h z 呼啸声( m o a n ) 8 0 2 0 0 h z ，通常包括- - n 两种音调的声音 咔嗒声( r a t t l e ) 瞬间随机噪声 6 短促刺耳的叫声( s q u e a k )高音调宽频瞬时噪声 长而尖的声音( s q u e a l ) 瞬时高频噪声 滴答声及杂声( t i c ka n dh a s h )各种诸如风扇、皮带产生的声音 呜呜声( w h i n e )中、高频单音调( 可能有谐音) 的噪声，2 0 0 - 2 0 0 0 h z 为了深入的研究n v h 问题的产生机理，通常要更仔细的总结汽车噪声的表 现形式。以轿车传动系统为例，其表现形式列于表2 - 2 。 表2 - 2传动系统汽车噪声的表现形式 频率域激振力振动形式 ( 非) 线性现象描述 2 1 0 h z 发动机扭矩变化扭转 线性颤动( 振动) 2 一l o h z 离合器的非线性扭转 非线性震颤( 振动) l o - 2 0 h z 传动轴折弯角扭转鹰曲非线性 起步时振动 2 0 5 0 h z 发动机扭矩变化扭转 线性振动( 隆隆声) 2 0 - 5 0 h z 旋转不平衡弯曲 线性振动( 隆隆声) 5 0 - 8 0 h z 发动机扭矩变化扭转线性传动系扭转振动( 隆隆声) 5 0 8 0 h z 传动轴折弯角扭转 非线性传动系扭转振动( 隆隆声) 1 0 0 2 0 0 h z发动机往复惯性力弯曲线性传动轴弯曲振动( 隆隆声) 4 0 0 - 2 k h z 偏齿轮啮合力弯曲，扭转 线性传动轴弯曲振动( 隆隆声) 2 3 2 汽车结构声与空气声的表现形式和频率范围 汽车振动噪声分为结构声与空气声。结构噪声与车体结构噪声有关；空气声 与车体声腔设计有关，包括风噪。 结构传播噪声一般是在1 0 到8 0 0 h z 的频率范围内起作用，见表2 - 3 。 表2 - 3结构声表现形式和频率范围列表 频率( i - i z ) 。o 2 0 4 08 01 6 03 2 06 4 01 2 8 0 典型振动 粗糙声 隆隆声 动力系统噪声 路面噪声 呜呜声 主轴噪声 齿轮噪声 结构振动噪声表现形式与频率范围 7 空气声主要是在8 0 0 h z 以上的频率范围内起决定作用，见表2 - 4 。 表2 - 4空气声表现形式和频率范围列表 频率( h z ) 路面噪声 捧气系统噪声 引擎噪声 齿轮噪声 风噪声 6 31 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 08 0 0 0 空气声表现形式与频率范围 2 4n v h 性能评价 在评价汽车n v h 性能时，可以分为主观评价和客观评价，这些内容将在下 一章节作详细的说明。 主观评价和客观评价需要特定的操作环境和评价标准。 例如，对汽车噪声的评价，一般要车辆定置状况下的怠速、p o t ( p a r t i s lo p e n t h r o t t l e ) 进气控制阀门半开和w o t ( w i d eo p e n t t r o t t l e ) 进气控制阀门全开时 的声压级或者声功率级；在测量通过噪声的时候，要在特定的车速的状况下得 到声压级。操作条件不同会导致比较的值可能没有相对的参考意义，所以需要 对此作出统一的评价标准。 一般是将汽车的n v h 特性分为十个等级( 等级越高，舒适性越好) 通过专 家实际乘坐的感受来评价被试汽车n v h 特性的好坏。 在设计开发阶段，样车还没有制造出来，一般采用振动和噪声的评价指标( 振 动速度、加速度和声压级等) 确定设计目标，并利用在设计阶段仿真计算的响 应结果评价它的n v h 特性。克莱斯勒公司的n v h 工程师根据大量试验提出了 主，客观评价指标之间转化的参考经验公式： - - - - 8 1 9 4 3 4 + l o g ( v ) ( 2 - 1 ) = 1 3 6 一o 1 7 5 + s p l ( 2 - 2 ) 式中，风为触觉方面主观上的等级；为听觉方面主观上的等级；v 为测点 的运动速度( r a m s ) ；s p l 为测点的声压级( d b ) 。 2 5 汽车n v h 研究的技术和方法 n v h 设计中主要包括激励源的识别和分析技术、n v h 参数的测量技术、c a e 仿真技术、有限元分析技术、模态综合分析技术以及其它噪声与振动控制技术。 对n v h 的特性研究，主要有以多体( m b ) 系统动力学、有限元方法、边界元 方法、统计能量分析法等分析方法为主要内容的c a e 技术、n v h 的激励源模拟 和诊断技术，以及刚弹耦合系统和声固耦合系统为主要模型的仿真分析技术。 2 5 1c a e 技术在n v h 设计中的应用 研究汽车的n v h 特性首先必须利用c a e 技术建立汽车动力学模型，主要有 以下几种比较成熟的理论和方法【2 】。 ( 1 ) 多体( m b ) 系统动力学方法 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n v h 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。 ( 2 ) 有限元方法( f e m ) 有限元方法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n v h 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。 在汽车噪声问题中，声学有限元法主要用于分析汽车结构振动引起的车内噪 声问题。声学有限元法是用有限单元将声传播的空气域如汽车的内部空间离散 化，根据声学波动方程求解空气域中的声特性。通常，使用结构有限单元将声 传播空气域周围的结构振动进行离散化，同时考虑结构一空腔耦合问题求解， 在解得结构振动的同时，也解得空气中的声传播。为了求解其中的结构振动一 声学耦合问题，空气动力方程和空气连续性方程在一定条件下都转化为声学波 动方程。 声学有限元法中，采用空气单元形函数及声学波动方程，可导出空腔声学有 限元状态方程： f 彬】 包 + 口】 见) + 【彰】饥 + 所见】r 玩) = 0 ( 2 3 ) 其中，【m f 】，科】， 群】，所尼】分别为空气质量矩阵，空气阻尼矩阵及空气 刚度矩阵和结构一声学耦合质量矩阵。 以) 为空气单元节点声压向量，玑为节 点位移向量。 类似上式，可导出空腔结构振动状态方程： 【m 。】 u 。 + 【c 。】 u 。 + 【也】 玑 = e ) + f ( 2 - 4 ) 其中，【m 。】，【c 】， 疋】，【c 】分别为结构质量矩阵，结构阻尼矩阵，结 构刚度矩阵和结构外激励， 矿 为界面声压向量“。 将空气与结构两方程联立得结构振动一声学耦合问题的状态方程式。 声学有限元法可以根据车内空间声学模型和车身结构模型求得车内声学模 9 态频率及其声模态，以及车身结构得模态频率及其振动模态。利用这样的模型， 可以研究车身板件振动对车内声场特性的影响，车身振动模态对车内声场的模 态灵敏度等。另外可从实验得到车身激励模型，计算出车内声场的声压分布和 声压的频率响应，分析强迫振动的辐射板件对车内声场的贡献及找出声学影响 系数最大的板件。 ( 3 ) 边界元方法( b e m ) 与有限元方法相比，边界元方法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【”。 北美汽车工业界经常使用的边界元商业软件包括s y s n o i s e 和 c o m e t a c o u s t i c s 。边界元网格划分可以通过软件自动生成。常用的网格包 括四边形和三角形单元。单元的阶次可以是线性，也可以是二次单元。 边界元网格生成一般需要遵循如下原则“旧： 边界元网格的大小一般取决于声波波长。但如果在特殊情况下结构弯曲波 波长小于声波波长，要以结构弯曲波波长作基准。对于线性单元，原则上要保 证每个波长内至少有4 7 个单元。对于二次单元，原则上要保证每个波长内至 少有2 3 个单元。 网格生成要遍布整个边界，直接边界元( d b e m ) 要求边界上不能有孔洞。 车身结构上的工艺孔等必须通过网格单元“填补”上。 各单元法向矢量的定义取决于采声点的位噩，必须与定义好的内场或外场 一致。 如果用有限元计算结构振动，边界元网格要与有限元网格有一定的组排搭 配，保证节点的位移一致。 ( 4 ) 统计能量分析( s e a ) 方法 以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析( s e a ) 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( 3 0 0 h z ) 的汽车n v h 特性预测，如果 采用f e m 或b e m 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。 统计能量分析方法在汽车工业中的应用始于2 0 世纪9 0 年代初。虽然起步落 后于其他工业，但统计能量分析方法在汽车工业中的应用发展很快。福特汽车 公司北美工程部门在9 0 年代中期开始大力发展和应用统计能量分析技术，建立 汽车结构噪声和空气噪声模型，进行了大量的实验室数据采集和模型验证工作， 还对公司内技术人员进行系统的统计能量分析应用技术培训，并公开发表了一 1 0 系列技术论文。在这段时间内，通用汽车公司和克莱斯勒等汽车公司也从不同 方面争相发展统计能量分析技术，增加技术人员，纷纷开发各自车型的整车车 内噪声预测模型和实验室的实验验证。随着汽车内饰件厂家承担越来越多的工 程开发工作，汽车整车厂的统计能量分析应用工作很快带动了众多的汽车内饰 件和其他有关汽车零部件厂家发展和使用这种分析技术，使得统计能量分析成 为汽车工业近年来发展最快的分析方法之一。目前，统计能量分析和有限元方 法一样，作为c a e 的主要分析手段来分析空气噪声。现在新车型的声学处理和 设计大多需要用到统计能量分析。 统计能量分析作为一种分析方法，其更重要的作用在于列出主要噪声贡献， 以及预测不同设计对车内噪声的相对影响。统计能量分析模型一旦通过验证， 就可以精确描述这种微小的噪声性能变化，体现出分析方法的应用阶值【l6 】。 2 5 2n v h 特性研究中激励源的模拟 行驶车辆的主要激励源包括不平路面、发动机的惯性力载荷和不平衡脉动转 矩、车轮不平衡质量、传动系不平衡转矩等“ 。 发动机的旋转、往复质量和燃烧室中的气体压力波动将产生发动机的激励。 实验表明：车室内噪声的峰值频率与发动机的激励频率关系密切。在模拟发动 机的激励作用时，可以直接测量发动机的振动信号输入模型，也可以建立发动 机模型模拟实际工作状况产生激励“8 删。 由于制造误差的影响，车轮和轮胎不可能完全平衡，这将激励并产生前轮摆 振等n v h 问题。为了减小其影响，必须使车辆n v h 特性对车轮和轮胎不平衡 量的灵敏度非常低。根据不平衡质量的大小和它距轮心的距离可以计算出它产 生的力矩，将此力矩施加于模型的车轮中心可以模拟车轮的不平衡激励。后轮 驱动汽车有很长的传动轴，它的不平衡质量将产生车辆n v h 问题。传动轴不平 衡所产生的激励可以在模型的方向节接头处施加力来模拟嘲。 不平路面对轮胎的激励通过悬架传递至车身，最后形成振动和噪声作用乘 员。通常假设轮胎和路面总是接触的，仿真计算时在轮胎与路面