NVH特性概述

NVH特性概述摘要：通过对汽车振动以及噪声控制的分析研究，简要介绍汽车NVH特性的概念以及主要研究方法，并提出汽车NVH控制的基本途径。关键词：汽车；振动；噪声；特性；研究；控制Abstract：ThisarticlebrieflyintroducestheconceptionandresearchmethodofautomobileNVHcharactersbyanalyzingthevibrationandthenoiseofautomobiles，thenbringsforwardthebasicapproachofcontrollingautomobileNVH．Keywords：automobile；vibration；noise；character；research；control噪声（Noise）、振动Vibration）与声振粗糙度（Harshness）统称为NVH，NVH特性是衡量汽车设计和制造质量好坏的一个综合性问题，它给汽车用户所带来的感受也是最直接和最表面的。声振粗糙度（Harshness）是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。另外乘员在汽车中的舒适性感受以及忧郁汽车振动引起的汽车零部件强度和寿命问题都属于NVH的研究范畴,此外还包括汽车零部件由于振动引起的强度和寿命等问题。车辆的NVH问题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的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，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。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源（发动机、变速器等）、振动传递器（由悬架系统和连接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。汽车NVH特性的研究应该以整车作为研究对象，但由于汽车系统极为复杂，因此，经常将它分解为多个子系统进行研究，如发动机子系统（包括动力传动系统），底盘子系统（主要包括悬架系统），车身子系统等。1、汽车振动如果把汽车作为一个系统来研究，汽车本身就是一个具有质量，弹簧和阻尼的振动系统。由于汽车内部各部分的固有频率不同，汽车在行驶中常因路面不平、车速和运动方向的变化，车轮、发动机和传动系统的不平衡，以及齿轮的冲击等各种外部和内部的激励作用而极易产生整车和局部的强烈振动。汽车的这种振动是汽车的动力性能得不到充分的发挥，经济型变坏，同时，还要影响汽车的通过性、操作稳定性和平顺性，使得乘员产生不舒服和疲乏的感觉，甚至损坏汽车的零部件和运载的货物，缩短汽车的使用寿命。汽车振动和一般的振动问题一样，可以用研究机械振动的方法来研究汽车振动问题。但汽车是由多个系统组成的复杂的振动系统，每个系统都存在振动问题，下面就讨论几个主要系统存在的振动问题。(1)发动机和传动系统：汽车行驶时因道路不平，气缸内的燃气压力和运动件的不平衡惯性力周期性变化的结果，都会使曲轴系统和发动机整机产生振动。其中，曲轴系统的扭振比较重要，而且与整车传动系统有关。发动机和传动系统振动主要研究的是发动机在车架上的整机振动，以及除曲轴和传动系统扭振意外的其他振动，如气门机构的振动。发动机在车架上的整机振动会引起车身钣金件与车架相连的其他零件等产生振动和噪声，影响汽车的耐久性和舒适性。曲轴受周期性变化的干扰力作用，这种干扰力会使发动机和传动系统产生强烈的扭振。由于扭振引起的这些装置的附加应力大大超过工作应力，这会影响发动机和传动系的工作质量和寿命，产生噪声，造成严重的破坏。(2)制造系统：汽车在制动时，行驶方向的惯性力和作用在轮胎上的地面制动力所形成的力矩会使前轴负载加大，后轴负载减小，从而增强了制动时整车的振动。此外，当汽车制动时，不论是鼓式制动器，还是盘式制动器都会产生振动，并引起严重的噪声。这种振动和噪声，不仅影响成员的舒适性，还会严重污染城市环境，加速制动踏板、制动时支架、推杆总成等的疲劳破坏。有时，制动振动还会引起汽车跑偏，产生蛇形现象而严重影响汽车制动稳定性。另外，制动器的还会是汽车的前轮，前悬架和转向器产生强烈振动，引起方向盘产生角振动，使驾驶员的手麻木，严重时，还可能打伤驾驶员的手臂。当制动盘厚度不均，表面摆差过大、不光滑时，都会引起制动时踏板的振动，而影响驾驶员工作。(3)转向系统：由于转向横拉杆有一定的弹性，轮胎又有侧向变形和横向力的作用，汽车在行驶时，前轮会绕主销左右摇动，将这种转向轮绕主销的振动成为前轮摆振。若出现这样的摆振，车轮的轨迹将是波浪形曲线，此时，汽车出现所谓的蛇形现象。若经常出现蛇形现象，使轮胎经常出现滑磨状况，增加了轮胎的滚动阻力，加剧了轮胎的磨损，增大了转向机构的载荷，降低了有关零件的使用寿命，此外，前轮摆振还会恶化汽车的操纵性，使驾驶员精神紧张，疲劳加剧，从而影响行车安全。在这种情况下，驾驶员将被迫降低车速，以致不能发挥汽车的动力而影响汽车的行驶性能。蛇形现象严重时，还会伴随出现操纵机构、车架和车身的振动，使平顺性和操纵稳定性变坏。(4)悬架系统：汽车行驶时，路面的不平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定程度时，将影响乘员的舒适性、工作效能和身体健康，并使运载货物损坏。车轮与路面之间的动载荷，不仅影响轮胎的附着效果，而且影响汽车的操纵稳定性。由弹簧和减振器组成的悬架系统要缓和由路面传给车身的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动。消除悬架系统的振动问题主要是研究汽车平顺性。所谓汽车平顺性，就是保持汽车在行驶过程中乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对载货汽车，还应包括保持货物完整的性能。此外，还要考虑振动引起的车轮和路面间动载对车轮接地性的影响。(5)车身和车架：在分析车身和车架振动问题时，常采用有限元法。有限元法的基本思想是把连续体视为由若干基本单元在结点处彼此相连接的组合，把具有无限多个自由度的连续结构振动问题变成有限个自由度的振动问题。有限元法可以归纳为划分单元、单元特性分析及结构综合等三个步骤。此外，在有限元的基础上，还发展一种对复杂结构进行振动分析的有效方法——组合结构系统分析技术。其基本思想是把复杂结构分为若干部件（子结构），每个子结构可以用有限元法分别进行动态特性的分析。再根据各部件间实际的边界条件，将各子结构的模态特性叠加起来，分析整个系统的动态特性。这样可以使有限元法进行分析时的自由度数大大减少，减少运算工作量，这比直接对整机进行分析要方便的多。这种方法对分析汽车整车振动非常有利。2、汽车噪声2.1汽车噪声基础随着汽车工业的迅速发展人们对汽车噪声控制的要求越来越严格。据有关资料表明，城市噪声的70％来源于交通噪声，而交通噪声又主要产生于汽车噪声。它严重污染者城市环境，影响着人们的生活、工作和健康。对于噪声而言，声音的频率成分是其最可识别的特征之一，以单一频率出现的声音成为纯音。然而，大多数声音要复杂得多，频率分量分布于整个听力范围。研究表明，健康年轻人的听力频率范围从20Hz到20kHz,在500Hz到5kHz的范围最为敏感。人们采用分贝为单位来衡量声音数据的声量，并且基于此基准量的声功率级、声强度级和声压级也是重要的指标。而dB是较常用的单位，因为这个标度更能准确的反映人耳对噪声的强度和噪声的主观反映。对于汽车噪声而言，主要是从行驶噪声、静止车辆噪声以及车内噪声进行评估分析。2.2汽车噪声生源分析发动机噪声是汽车最大的噪声源，占汽车噪声的二分之一以上。其它噪声源还包括传动系噪声、空气动力噪声、轮胎噪声、制动噪声等。（1）发动机噪声：发动机噪声起源于燃烧过程和与发动机动力学有关的机械力。燃烧过程造成各缸的压力变化，产生大动态气体负载和其它机械力，如活塞的拍击力。这些力与惯性引起的动力相结合，不平衡效果产生作用于发动机结构的激励，从而产生振动，从发动机的各个表面产生噪声传播。研究表明发动机最大的噪声来自较大的柔软表面，如油底壳、正时齿轮盖、曲轴带轮和进气歧管。（2）变速器噪声：变速器噪声主要是齿轮噪声。当变速器中的主动齿轮和从动齿轮相互啮合时，会在瞬间突然产生负载传递，使从动齿轮加速，主动齿轮减速，导致以齿轮啮合的频率产生噪声。齿轮噪声随速度的增加而增加，速度每增加一倍，噪声增大6到8dB,并且传递的功率增加每增加一倍，噪声会增大2.5到4dB.（3）进、排气噪声：进气噪声是由流经进气门的空气流周期性地被切断产生的，这些噪声通过空气滤清器传递并从进气歧管发出。排气噪声是由排气门打开和关闭时，废气的周期性的突然释放引起的。它的大小和特点随发动机类型、气门结构和正时的差异有相当大的变化。进、排气噪声对发动机的负荷增加很敏感，从空负荷到全负荷工作，噪声级将增加10到15dB。（4）空气动力噪声：空气动力噪声主要是与稳流和涡流相关的压力波造成。对于汽车而言，分布于整个车身上的边界层、边缘、车身各部位和冷却风扇等处的涡流是噪声产生的主要部位。边界层噪声在特性上是随机的，边缘噪声是由气流从车身结构的凸出部分离时产生的；冷却风扇噪声则来源于叶片发出的螺旋状的涡流。（5）轮胎噪声：轮胎噪声产生于能量的释放。轮胎与地面接触的受挤压区，当返回到未挤压状态时会释放能量，同样，胎迹的前端会产生相反效果。此时，位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸人的过程会引起泵气声。（6）制动噪声：动态不稳定的制动系统导致了制动元件的振动，制动噪声是由大表面积元件，如制动鼓或制动盘产生的。3声振粗糙度声振粗糙度是指噪声和振动的品质，与噪声和振动的瞬态性质有关，描述了人体对噪声和振动的主观感受，不能直接用客观测量方法来度量。由于声振粗糙度描述的是噪声和振动使人不舒适的感觉，因此，有人称之为不平顺性；又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此，也有人称之为冲击特性。总的说来，声振粗糙度描述的是噪声和振动共同产生的使人感到极度疲劳的感觉。人作为汽车产品的使用者，其对汽车舒适性的评价优劣是产品成败的关键所在之一。因此，声振粗糙度方面的主观评估是车辆及其零部件质量检验、故障诊断的必要手段。4、NVH的控制通过以上的分析研究我们知道汽车振动和噪声的产生并不是相互独立，而是紧密联系的。可以说，噪声源于振动，振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的。既要减小振动、降低噪声，又要提高乘坐舒适性、保证产品的安全性、环保性以及使用性能。要改善汽车的NVH特性，首先是对其振动源和噪声源的控制。这就需要改善产生振动和噪声的零部件的结构，改善其振动特性，避免产生共振；改进旋转元件的平衡；提高零部件的加工精度和装配质量，减小相对运动元件之问的冲击与摩擦；改善气体或液体流动状况，避免形成涡流；改善车身结构，提高刚度；施加与噪声源振幅相当而相位相反的声音等。其次要控制振动和噪声传递的途径。这就需要对结构的振动和噪声传递特性进行分析并改进，使之对振动和噪声具有明显的衰减作用而不是放大；优化对发动机悬置的设计，降低发动机向车身传递的振动；对悬架系统进行改进，阻断振动的传递；采用适合于平面振动的阻尼材料、适合于旋转轴类的扭振减振器以及针对其它线振动的质量减振器；分析和改进结构，特别是车身的密封状况，提高密封性能；各种吸音材料、隔音材料和隔音结构的研究及应用，提高汽车内部的吸音和隔音性能等。5结束语随着汽车技术的发展，以及人们对汽车可靠性、舒适性等性能要求的不断提高，汽车的NVH特性以及对振动和噪声的控制已成为汽车设计过程中越来越重要的研究项目。参考文献：[1]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2000．[2]靳晓雄，张立军，江浩．汽车振动分析[M]．上海：同济大学出版社，2002．[3]陶荣华，高尚流，王万祥．汽车加速行驶车外噪声治理客车技术与研究，2006，[4]史密斯．张金柱(译)．现代汽车设计概论[M]．北京：化学工业出版社，2007．1