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汽车与轮胎NVH研究 鲍旭清,陈 剑,程 昊 (合肥工业大学 噪声振动工程研究所,安徽 合肥 230009) 摘要:简介汽车与轮胎振动、 噪声和舒适性(NVH)研究,对车辆各种噪声的来源和机理进行分析,提出相应的减 震降噪措施。汽车噪声主要由发动机噪声、 排气系统噪声、 传动系统噪声、 空气动力学噪声及轮胎噪声组成,汽车高速 行驶时轮胎噪声是汽车噪声的主要来源。进行汽车NVH研究时,首先利用CAD/ CAE技术建立汽车及部件的三维 动力学模型,然后采用NVH分析工具对模型进行网格划分及动力学分析。通过对部件及整车进行模态分析、 验证和 不断优化,最终使整车NVH特性达到设计目标。 关键词:汽车;轮胎;振动;噪声;舒适性 中图分类号:U461.4;U467.4+92/ +93;U463.341;U469 文献标识码:B 文章编号:100628171(2007)0920570206 作者简介:鲍旭清(19722 ) , 男,安徽安庆人,合肥工业大学工 程师,硕士,主要从事汽车NVH方面的研究工作。 随着经济的快速发展和人民生活水平的不断 提高,越来越多的轿车进入大众家庭,而由此引起 的环境问题也日益突出,其中一个重要问题就是 噪声。很多国家制定了专门的法规对车辆噪声进 行限制,我国在2002年公布的汽车噪声标准GB 14952002将汽车的降噪要求提高到一个新的 层次。此外,消费者对汽车乘坐舒适性的要求也 不断提高。 汽车是多部件组合体,在运动状态下不可避 免地产生振动(Vibration) ,通常用振级来表示振 动强度,单位为Hz。噪声(Noise)通常指在特定 环境内,多余的、 不规则的和非周期性产生的声 音,用声级表示其强度,单位为dB。舒适性 ( Harshness)是顾客所提出的要求,是描述人体对 振动和噪声的主观感觉,因此不能用客观直接测 量的方法来度量。振动、 噪声和舒适性是相互 联系、 密不可分的,振动是源,噪声是结果,舒适 性是对前两者的响应,通常将三者结合起来进 行研究,简称NVH研究。随着汽车保有量的增 大,车辆NVH特性越来越受到各国政府、 汽车 制造商及用户的关注,部分汽车生产商用于解 决车辆NVH问题的费用已占到研发费用的约 20 %。 本文简要介绍汽车与轮胎NVH研究,对车 辆各种噪声的来源和机理进行分析,提出相应解 决措施。 1 汽车噪声的来源 汽车是高速运动的复杂组合式噪声源,根据 噪声对环境的影响,可将汽车噪声大致分为车内 噪声和车外噪声。 1. 1 车内噪声 车内噪声指通过各种途径传入车内的外部噪 声以及车身部件受激产生的结构振动向车厢内辐 射的噪声,这些噪声声波在车内空间声学特性的 制约下,形成复杂的混响声场。抑制车内噪声最 有效的方法是选择性能优异的隔声材料,并利用 异型吸声槽来缓冲和吸收噪声。 1. 2 车外噪声 车外噪声指辐射到车外空间的汽车噪声,主 要包括发动机噪声、 排气系统噪声、 传动系统噪 声、 空气动力学噪声和轮胎噪声等。 1. 2. 1 发动机噪声 (1)产生机理 发动机噪声除了发动机机体发出的机械噪声 外,还包括进气系统噪声。气体经空气滤清器、 进 气管、 气门进入气缸,在高速流动过程中会产生很 强的气动噪声。 (2)减震降噪措施 改变发动机燃烧过程,以降低燃烧爆发时 075轮 胎 工 业 2007年第27卷 第9期 产生的冲击。 减轻冲击产生的激后力所引起发动机各部 件的振动。 减小由活塞上下运动和曲轴转动引起的不 平衡力,减轻发动机机械振动。 在U槽、 挡火墙及底板部位粘贴带异型吸 声槽的吸声棉来抑制噪声。 1. 2. 2 排气系统噪声 (1)产生机理 排气系统噪声实质上是发动机噪声的一部 分,但由于排气系统在汽车设计中是一个独立的 系统,因此单独研究这部分噪声。排气系统噪声 主要包括消声器支撑架和排气管道振动及排气动 作引起的辐射噪声。排气系统噪声在很大程度上 与发动机性能有关。 (2)减震降噪措施 利用消声器降低排气出口噪声,在生产消 声器的环节,可以通过提高仿真计算的精度,在不 增加排气阻力的条件下改善消声效果。 在排气口施加与排气噪声幅值相等、 相位 相反的二次声源或振动源,以自动消除振动噪声 问题,实现主动降噪,目前这一领域的研究还刚刚 起步。 1. 2. 3 传动系统噪声 (1)产生机理 传动系统噪声主要包括由发动机振动引起离 合器盖、 变速器盖等辐射出的噪声以及齿轮啮合 激振引起壳体辐射发出的噪声。传动系统噪声源 主要有变速器、 分动器、 传动轴 、 差速器和减速 器等。 (2)减震降噪措施 传动系统噪声通常在车辆出厂前就确定了, 很难通过后期降噪措施得到根本改善。通过更换 变速器等改装措施可提高操控性和舒适性,但会 影响车辆整体性能。降低传动系统噪声主要依靠 前期预防,提高设计及生产装配的技术成熟程度。 可在前期车辆设计中运用CAD/ CAE等相关技 术对传动系统进行模拟优化。 1. 2. 4 空气动力学噪声 空气动力学噪声简单地说就是车体部件与空 气发生相互作用而产生的噪声,可分为风噪声、 风 漏声和其它噪声(包括风扇噪声、 空腔共鸣、 管道 噪声及振动引起的噪声)。 (1)风噪声 风噪声是由车身周围气流分离导致压力变化 而产生的噪声,如被压缩气流通过障碍物(后视 镜、 行李架、 天线、 雨刮器及扰流器等附件)时所产 生的噪声。 (2)风漏声 风漏声是从驾驶室及车身缝隙吸出的气流与 车身周围气流相互作用产生的噪声。在车速达到 60 kmh - 1 以上时,车外压力低于车内压力,车 内的空气由于压力作用从车窗玻璃或节点处的缝 隙冲击出去,此时就会产生噪声。可以用NVH 分析软件或者肥皂泡沫试验来精确确定这种噪声 产生的状况与位置。此外,也可以用密封带密封 车门或车身面板焊接处来确定漏点,即先用密封 带把可能存在问题的地方密封,在行车测试过程 中,逐块移掉密封带,根据密封带的位置确定噪声 产生的位置。 克服风漏声的有效办法是在车门、 车窗及发 动机仓盖周围设计密封条或粘贴带有异型吸声槽 的吸声棉,使开放气流的背后不产生涡流。 (3)风扇噪声 风扇是发动机仓内较大的噪声源,严格来说, 风扇噪声应为发动机噪声的一部分。风扇在运转 过程中,由散热器隔栅进入的冷却气流,被风扇叶 片吸入,从发动机间隙排出,气流运动的过程产生 旋转噪声和涡流噪声。夏季在怠速状态下开空 调,风扇运转会引起较大噪声。风扇噪声的大小 与以下因素密切相关:风扇的外形(叶片数量、 间 隙、 角度及弯曲度等 ) , 外形决定风扇本身的阻力 因数;散热器吸入气流的紊流度;风扇叶尖处及缝 隙处产生噪声的强度。 1. 2. 5 轮胎噪声 (1)产生机理 轮胎是由多种材料和部件构成的复杂结构 体,在生产过程中不可避免地出现误差,使轮胎结 构分布不均匀,导致轮胎在高速行驶时发生径向 和轴向振动,产生噪声。同时轮胎行驶时,与地面 接触的胎面花纹块一方面压缩空气,另一方面与 地面产生冲击振动,也会引发噪声。当车速达到 175鲍旭清等.汽车与轮胎NVH研究 100 kmh - 1以上时 ,轮胎噪声成为车辆噪声的 主要来源,因此降低轮胎噪声对提高整车NVH 性能十分重要。轮胎噪声通常由4部分组成 : (a) 轮胎花纹间隙的空气流动和轮胎周围空气扰动构 成的空气噪声 ; (b) 胎体和花纹部分振动产生的 振动噪声 ;(c) 路面状况不良造成的路面噪声(见 表 1) 1 ;(d) 轮罩噪声,轮罩下部凹凸不平导致气 流分离,产生较强的噪声,轮罩内车轮回转造成的 空气流动以及发动机仓排出的风是轮罩噪声的主 要来源。 表1 路面状况与轮胎噪声的关系 路面类型 轮胎噪声 等级/ dB 路面类型 轮胎噪声 等级/ dB 光滑混凝土路面70磨损混凝土路面72 光滑柏油路面72粗糙混凝土路面78 (2)减震降噪措施 选择合适的胎面胶配方,通常胎面胶的耐 磨性能越好,在高速行驶时引起的冲击振动越大。 对轮胎花纹进行优化设计。建立数学模 型,对轮胎花纹所引起的空气动力学行为和振动 行为进行模拟分析。将胎面花纹块设计成多种 (2 3种)类型,并通过计算机模拟,对不同类型 的花纹块进行优化组合。运用这两种方法设计的 胎面花纹可以分散高速行驶时由轮胎振动产生的 噪声。 适当增大轮胎肩部的刚性、 对花纹沟边缘 部位进行流线形处理等措施可以较大幅度降低由 花纹沟边缘引起的噪声。 利用亥姆霍兹消声理论,可以在轮胎内腔 设置多个完全密封的副气室,用于吸收由于空气 共鸣产生的特定频率噪声。 轮胎内充氮气替代空气。氮气是惰性气 体,化学性质稳定,不易热涨冷缩,其从轮胎内渗 透出的速度比空气小30 %40 % ,能长期保持轮 胎气压稳定,充氮气的轮胎音频传导性比充空气 的轮胎低约80 %。轮胎充氮气对降低油耗、 提高 轮胎使用寿命和防爆等作用明显,此外还可以提 高轮胎行驶的稳定性,保证驾乘舒适性。由于氮 气成本高且供应等方面还存在问题,目前轮胎充 氮气尚未普及,但发展前景广阔。 可通过在前轮内侧防护板上粘一层黑毡布 或绒布来降低轮罩噪声。 改善路面状况,改进路面铺装材料,在混凝 土路面中加入一些废旧轮胎胶粉可有效降低轮胎 噪声。 选择适当的充气压力,充气压力过低会造 成油耗增加,而过高会使轮胎产生较大的振动和 较高的噪声。 在轮胎设计初期,充分借鉴和利用已有的 设计理念,使轮胎的弹性因数控制在合理范围,同 时控制轮胎制造精度,保证轮胎均匀性良好。 2 噪声源的识别 噪声源的识别方法较多,根据目标声场所处 环境可分为3类:主观评价法、 静态分析法和动态 分析法。 2. 1 主观评价法 主观评价法主要依靠测试人员的经验,使车 辆或部件处于运动状态,根据不同部件噪声的差 别来识别噪声源。该方法具有经济、 方便及快捷 等优点,但可靠性主要依赖测试人员的经验,在新 产品试车阶段和中期维护等方面具有较强的优越 性和可操作性。 2. 2 静态分析法 静态分析法适于测量处于停止状态下车辆的 噪声,主要有消去法、 频谱分析法、 声压测量法、 声 强测量法、 表面振动测量法、 相干函数法和倒谱分 析法等,下面简要介绍前5种方法。 (1)消去法 首先使发动机处于运转状态,测定车辆的噪 声水平,然后在相同的试验条件下,去除车上部分 装置或控制部分部件噪声的传出,测定此时车辆 的噪声水平,前后测得噪声的差异可看作是被拆 卸或被控制噪声传出的部分对车辆总噪声的贡 献。该方法试验难度大,耗时耗力,且不能获得车 辆噪声整体分布结果。 (2)频谱分析法 根据车辆总噪声频谱及各组成部分噪声频谱 差异得出各组成部分对车辆噪声的贡献,找出主 要噪声源。但该方法有时会遇到总噪声频谱中峰 值所对应的频率为几个声源共有或不属于任何一 个声源的情况,因此在实际工作中常将此方法与 275轮 胎 工 业 2007年第27卷 第9期 其它方法结合使用。汽车主要噪声源噪声频率范 围如表2所示2 ,3。 表2 汽车主要噪声源噪声频率范围 噪声源频率/ Hz说明 燃烧 10 000柴油机为14 000 Hz ,汽油机范 围较宽 活塞敲击 8 000与转速和气缸数有关 进、 排气门 2 000与转速和气门有关 风扇 2 000与转速和分泵数有关 齿轮 4 000与转速和齿数有关 轮胎 8 000花纹噪声为8005 000 Hz ,噪声 中心约为1 000 Hz 车身 300车身结构噪声小于30 Hz ,板件噪 声为30300 Hz (3)声压测量法 通过测定车辆表面声压分布来判断噪声源的 位置。为了保证所测声压能够精确反映车辆外表 面对应点的声压值,传声器与被测物体的表面越 接近越好,同时要尽量避免非被测部件辐射噪声 的影响。该方法的测量精度受到很多条件限制, 测试环境及外界其它声源等都会对测量结果产生 影响。 (4)声强测量法 利用声强探头方向性的特点来识别噪声源。 该方法对环境及场地要求不是很严格,并可在近 场测量,操作方便、 迅速,在实际工作中应用越来 越广泛4 ,5。目前,合肥工业大学已开发出一种 三维矢量声强测量分析系统,首次提出四传声器 三维矢量声强测量方法6。利用该系统,通过一 次测量就可获得声场中某一点的三维声强矢量, 该系统结构简单,成本低,采集的数据量小,测量 精度高。 (5)表面振动测量法 基本原理是通过测量零部件的表面振动推算 出噪声级。该方法测试点的数量和位置常随被测 物体表面积和形状变化而变化,通常根据经验来 确定,因此不适用于大型复杂的部件。 2. 3 动态分析法 动态分析法主要采用阵列测量技术和声全息 技术。近年来,随着计算机性能的不断提高,噪声 研究技术也得到飞速发展。与传统声学测量手段 相比,阵列测量技术和声全息技术全面利用声的强 度和相位信息,可实时测定运动物体表面噪声场 的分布,当车辆从测量阵列前高速通过时,系统可 准确识别出车上的主要噪声源,目前这种技术仍 处于不断完善阶段,尚未得到广泛应用。声全息 技术是在光全息技术基础上发展起来的,声波振 幅和相位可通过传感器直接测量,物像除了可采 用传统的光学间接重建外,还可通过计算机数字 模拟来实现重建,通过二维Fourier变换及其逆 变换方法将全息面变换到源面和预测面上,实现 声源的重建和声场的预测,目前计算机数字模拟 已成为实现声全息技术的重要方法。合肥工业大 学在声全息技术方面的研究处于国内领先水平, 首次提出了基于分布源边界点法的声场空间变换 方法,并提出了单全息面、 双全息面分离声场技 术,突破以往近场声全息(NA H)和基于声强测量 的宽带声全息(BAHIM)的应用局限。同时还提 出了3种多源声场全息重建和预测的求解方法, 解决了在多个相干声源同时存在时声源表面的信 息重建和声场中各声学量的预测问题,在实际声 源定位和声场预测中具有较高的应用价值7 ,8。 3 NVH的建模与分析 研究NVH性能首先必须利用CAD/ CAE技 术(如AutoCAD , Pro/ E , U G,CATIA及Solid2 works等软件)建立汽车及部件的三维动力学模 型,然后采用NVH分析工具对模型进行网格划 分及动力学分析。目前,对于汽车NVH的建模 与分析已形成了一些比较成熟的理论和方法,如 多体系统动力学法(MB)、 有限元法(FEM)、 边界 元法(BEM)及统计能量分析法(SEA)等9211。 3. 1 多体系统动力学法 多体系统动力学法将系统的各个部件抽象为 刚体或弹性体,研究它们在大范围空间内运动时 的动力学特性。 该方法主要用于对汽车底盘悬架 系统及转向传动系统在较低频率下的建模与分析。 3. 2 有限元法 有限元法的理论依据是数值分析法,当离散 求解的单元被划分得足够小时,所得的解就可以 375鲍旭清等.汽车与轮胎NVH研究 足够逼近于精确值。最初有限元法主要用于求解 线性问题,目前已开始向求解非线性问题方向发 展。有限元法通常与CAD软件配合使用,具有 强大的网格处理能力,能够对模型进行有限元网 格划分并进行分析计算。在汽车NVH研究中其 主要用于对车身结构振动和车辆内部空腔噪声的 建模与分析,还可用于轮胎结构分析。有限元法 也可与多体系统动力学法结合来分析底盘系统的 动力学性能。 3. 3 边界元法 与有限元法相比,边界元法减少了求解问题 的维数,能够方便处理无界区域问题,并且可在计 算机上轻松地生成高效率的网格,但计算速度较 慢。边界元法通常用于对车身结构和车辆内部空 腔噪声的分析,在室内吸声材料的建模方面具有 明显的优势。 3. 4 统计能量分析法 统计能量分析法将系统分为多个子系统,研 究各系统间能量和模态响应的统计特性。采用该 方法预测中高频NVH特性,具有工作量小和结 果较准确等优点。 4 NVH研发策略 NVH性能是衡量汽车生产厂商技术水平的 一个综合性指标,在汽车行业已成为一个热门的 研究课题。完整的汽车NVH研究开发应包含客 户需求及满意度调查、NVH设计工程、NVH验 证工程3方面内容,此外还必须要有强大的数据 库作为支撑平台。 4. 1 客户需求及满意度调查 在进行新款车辆的NVH设计时,应进行前 期客户需求及满意度调查,并对调查结果进行必 要的分析,建立一个对象数据库,输出有关整车和 各个部件的NVH目标值等数据。调查不仅可以 为设计者提供以前产品的NV H缺陷,还可以初 步确定新车型NV H特性目标。 4. 2 NVH设计工程 NVH设计工程首先将前期调查的目标值分 解到每个子系统中,同时调用NV H数据库,利用 原有各部件NV H数据进行新部件的初步设计, 用CAD/ CAE技术进行整车模拟装配,并进行优 化。NVH设计工程的关键是针对每个部件的 NVH特性建立完备的数据库。 4. 3 NVH验证工程 目前,多数NVH研究都集中在验证工程方 面,验证工程包含模态验证和试验验证。NVH 模态验证主要通过计算机,利用NV H工程分析 工具进行模态分析,从而获得各部件和整车在理 想状况下的NVH特性,以便在设计初期预测新 车型的NVH特性,此外还可通过对模型的不断 修正使车辆NVH特性到达最终设计目标。进行 NVH模态验证可降低车辆的设计开发成本。由 于部件在生产制造过程中存在偏差,同时最初的 模态分析也存在一定程度的误差,因此通常新产 品批量生产前都要进行试验验证。NVH试验验 证主要是对半成品部件和白车身的最初模态分析 结果进行工程验证,具有滞后性。 5 NVH的修正 NVH的修正通常是相当困难的工作,因为 修改任何一个部件都可能会涉及到整车的设计与 性能。NVH的修正包括前期预防(主动预防)和 后期补救(被动补救)。 5. 1 前期预防 前期预防就是在前期设计阶段运用CAD/ CAE技术和NVH工程分析工具对汽车部件及 整车进行模态分析、 验证和不断优化。最后成型 车辆的NVH特性在这一阶段已基本确定。 5. 2 后期补救 如果因设计和生产过程中的偏差造成下线后 的车辆NVH特性不佳,必须采取措施进行补救, 即根据主观评价和前期NVH试验验证结果,在 不影响车辆整体性能的情况下,通过局部修改部 件结构、 悬架等方式来改善NVH特性,同时也可 以采用消声棉、 减震胶条等进行补救。 6 结语 由于对汽车NVH研究仅有约50年历史,在 很多方面还不成熟,特别是在声源识别技术及 NVH设计等方面还有待进一步研究。可预测, 未来汽车NVH特性的改善不仅依赖对白车身的 研究,更要依赖对轮胎噪声的研究,因为车辆高速 475轮 胎 工 业 2007年第27卷 第9期 行驶时轮胎噪声对整车NVH特性的影响最大, 而目前对轮胎噪声的研究工作尚未广泛开展。 参考文献: 1何振星,柳和平,韩 强.排水降噪音路面混合料配合比设计 研究J .广东公路交通,2006(4) :20223. 2葛剑敏.轮胎振动与噪声试验和理论研究D.上海:同济大 学声学研究所,2001. 3庄继德.汽车轮胎学M.北京:北京理工大学出版社,1996 : 3252326. 4李卫兵,陈 剑,于 飞,等.基于单全息面三维声强测量的 声场分离技术J 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