第八章-汽车的NVH性能

第八章汽车的NVH性能同济大学汽车学院朱西产教授汽车NVH及要解决的问题NVH性能之所以越来越受到用户的重视，原因之一是随着汽车普遍进入广大家庭，用户对汽车的要求不仅局限于代步工具或运输工具，而且对其乘坐舒适性提出了更高的要求；原因之二是用户对NVH性能敏感度很高，随时都感受到振动噪声。汽车振动噪声性能，又称为NVH（Noise、Vibration&Harshness）性能。NVH性能指乘员感受到的噪声、振动及相关的动态不舒适性。噪声（Noise）主要指乘客听到的车内噪声，包括发动机噪声、进排气噪声、轮胎噪声、风噪声、传动系齿轮啮合噪声、车内面板振动辐射噪声等；另外，还有车外噪声，亦即汽车行驶中对交通环境的辐射噪声。振动（Vibration）主要指乘客感觉到的方向盘、地板和座椅等的抖动，通常由发动机和不平路面的激励引起。动态不舒适性（Harshness）通常指乘客感受到的汽车非平稳运动、颠簸、冲击和刺耳的异常噪声等。NVH问题分类车内噪声车外噪声发动机进气系统风扇、电子电器轮胎及不平路面排气系统面板辐射噪声车内振动（方向盘、座椅）NVH要解决的问题振动源、噪声源结构传递振动:结构传递空气传递噪声:NVH开发要解决的重点问题车身相关：（1）车身结构NVH开发（模态及传函VTF、NTF）（2）高频声学包开发（隔吸声件、内饰件）（3）结构阻尼件布置设计（4）风噪问题（立柱隔断）动力相关：（5）动力总成悬置系统匹配设计（6）发动机本体振动和噪声控制（发动机NVH）（7）进气噪声（8）排气噪声底盘相关：（9）底盘NVH开发（10）轮胎噪声控制其他：（11）关键子系统或部件NVH性能开发（变速箱、传动轴、转向管柱等）（12）电子电器噪声（风扇等）（13）整车异响等（14）门关闭声品质底盘NVH分析底盘参数（弹簧、减振器、衬套等）基本上由车辆动力学性能来确定，而不是由NVH性能确定。底盘NVH分析的主要目的有：（1）分析路面激励的各条传递路径的贡献度，从而明确底盘与车身的哪个连接点哪个方向的振动、噪声传递函数（即VTF和NTF）需要控制。这实际上就是传递路径分析（TransferPathAnalysis，TPA）方法。（2）在首先满足车辆动力学的前提下，改善由路面激励引起的NVH性能。比如平顺性的分析，用有限元模型比用多体模型更有效，因为有限元模型可以反映车身结构的振动传递特性。底盘NVH分析模型（实际上接近于整车模型）的建立步骤：（1）分别计算副车架、悬挂、整备车身、动力总成等的自然模态。（2）将各子系统的模态输入到Virtual.lab，并仔细分析和定义底盘和车身的连接关系。（3）各子系统的模态也可以是试验测量的，这时所建的整车模型称为混合模型。底盘NVH模型的建立---子系统的模态分析前副车架后副车架前悬架前稳定杆后稳定杆后悬架底盘NVH模型的建立（续）转向管柱动力总成整备车身底盘NVH模型（整车模型）底盘NVH分析结构传递路径测点方向前悬架悬架主弹簧上支座点Z下控制臂与前副车架前连接点XYZ下控制臂与前副车架后连接点XYZ减振器上支座点Z后悬架悬架弹簧上支座点Z外倾杆与后副车架的连接点XYZ下控制臂与后副车架的连接点XYZ减振器上支座点Z80km/h匀速行驶工况座椅地板Z方向振动加速度各传递路径贡献量色谱图选取的传递路径第六章汽车的平顺性汽车的平顺性本章将具体研究以下内容：人体对振动的反应和平顺性的评价；路面不平度的统计特性；汽车振动系统的简化，系统的频率响应特性和系统参数对振动响应参数的影响；汽车平顺性的测试等。本章重点研究路面不平引起的汽车振动问题。汽车的平顺性什么是汽车平顺性？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程度和保持货物完好的性能。为什么要研究汽车的平顺性？振动影响人的舒适性、工作效能、身体健康，影响货物的完整性以及零部件的性能和寿命。平顺性研究的目的是有效控制汽车振动系统的动态特性。振动系统弹性元件阻尼元件车身、车轮质量输入路面不平度车速发动机、传动系和车轮等旋转部件的非平衡干扰输出车身传至人体的加速度悬架弹簧的动挠度车轮与路面间的动载荷评价指标加权加速度均方根值撞击悬架限位的概率行驶安全性本章将围绕人体对振动的反应和平顺性的评价指标、路面不平度的统计特性（振动系统的输入）、振动系统的动力学分析、振动系统的输出特性等内容而展开。汽车的平顺性本章将不考虑第一节人体对振动的反应和平顺性的评价本节将学习人体对振动的反应、人体坐姿受振模型、平顺性的评价方法等。汽车的平顺性一、人体对振动的反应人体对振动的反应垂直方向4～12.5Hz水平方向0.5～2Hz人体最敏感传至人体的振动加速度人体对水平方向的振动比垂直方向更敏感心理生理思考：公交车和长途客车在设计时对平顺性的要求有何不同？客观因素主观因素第一节人体对振动的反应和平顺性的评价持续时间强度作用方向频率1974年国际标准化组织制定了国际标准ISO2631：《人体承受全身振动评价指南》1997年公布了ISO2631－1：《人体承受全身振动评价—第一部分：一般要求》我国对相应国际标准进行了修订，公布了GB/T4970—1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》国际、国内与平顺性评价方法相关的标准第一节人体对振动的反应和平顺性的评价人体坐姿受振模型共3个输入点、12个方向的振动第一节人体对振动的反应和平顺性的评价位置坐标轴名称频率加权函数轴加权系数k座椅支承面wd1.00wd1.00wk1.00we0.63we0.40we0.20靠背0.80wd0.50wd0.40脚wk0.25wk0.25wk0.40频率加权函数和轴加权系数第一节人体对振动的反应和平顺性的评价sxbxfxsyfyfzbybzszxryrzrcw即人对座椅传给人体的振动最敏感思考：由轴加权系数的不同取值可否确定人体对哪个点输入的振动最敏感？第一节人体对振动的反应和平顺性的评价sssxyz、、ISO2631-1：1997（E）标准还规定当评价振动对健康的影响时只考虑这三个轴向振动，且两个水平轴向的轴加权系数取k=1.4。靠背水平轴向可以由椅面水平轴向代替，此时轴加权系数取k=1.4。我国标准规定，评价汽车平顺性时就考虑椅面三个轴向振动。第一节人体对振动的反应和平顺性的评价sssxyz、、sx、syssxy、bbxy、sssxyz、、人体对不同频率的振动敏感程度不同最敏感的频率范围是4～12.5Hz。在4～8Hz频率范围，人的内脏器官产生共振；8～12.5Hz频率范围，对人的脊椎系统影响很大。最敏感的频率范围是0.5～2Hz。大约在3Hz以下，人体对水平振动比对垂直振动更敏感，且汽车车身部分系统在此频率范围内产生共振，故应对水平振动给予充分重视。第一节人体对振动的反应和平顺性的评价ssxy、sz各轴向的频率加权函数（渐近线）k0.50.5Hz2Hz/42Hz4Hz14Hz12.5Hz12.5/12.5Hz80Hzfffwffffd1(0.5Hz2Hz)2/2Hz80Hzfwfffc1(0.5Hz8Hz)8/8Hz80Hzfwfffe1(0.5Hz1Hz)1/1Hz80Hzfwfff频率加权函数第一节人体对振动的反应和平顺性的评价二、平顺性的评价方法1.基本评价法（1）计算各轴向加权加速度均方根值aw1）滤波网络法将测得的通过相应的频率加权函数的滤波网络，得到加权加速度时间历程。2102wwd1TttaTa2）频谱分析法对进行频谱分析，得到功率谱密度函数。21805.0a2wdffGfWa第一节人体对振动的反应和平顺性的评价watatwfataGf（2）三个方向总加权加速度均方根值12222思考：为什么乘以系数1.4？（3）总加权振级Law0waw/20lgaaLa0—参考加速度均方根值，。62010m/sa第一节人体对振动的反应和平顺性的评价（4）评价方法Law和aw与人的主观感觉之间的关系加权加速度均方根值aw加权振级Law人的主观感觉0.315110没有不舒适0.315～0.63110～116有一些不舒适0.5～1.0114～120相当不舒适0.8～1.6118～124不舒适1.25～2.5112～128很不舒适2.0126极不舒适第一节人体对振动的反应和平顺性的评价位置坐标轴名称频率加权函数轴加权系数k加权加速度均方根值峰值系数座椅支承面wd1.000.0805.0wd1.000.1144.7wk1.000.4075.5we0.630.1064.9we0.400.0855.0we0.200.0114.5频率加权函数和轴加权系数European轿车上振动测量结果第一节人体对振动的反应和平顺性的评价sxsyszxrzryr位置坐标轴名称频率加权函数轴加权系数k加权加速度均方根值峰值系数靠背0.800.2124.3wd0.500.0874.4wd0.400.1404.9wk0.250.0905.4脚wk0.250.0935.1wk0.400.3196.20.628122vvjaa第一节人体对振动的反应和平顺性的评价频率加权函数和轴加权系数European轿车上振动测量结果bxbybzfxfyfzcw2.辅助评价法当峰值系数9时，ISO2631-1：1997（E）标准规定用加权加速度4次方根值评价。它能更好地估计偶尔遇到过大的脉冲引起的高峰值系数振动对人体的影响。此时采用辅助评价方法——振动剂量值。75.14104wms/dVDVTtta第一节人体对振动的反应和平顺性的评价汽车的平顺性本节将介绍路面空间频率的功率谱密度，路面等级，时间频率的功率谱密度，路面对四轮汽车输入的功率谱密度等。第二节路面不平度的统计特性一、路面不平度的功率谱密度1.路面不平度函数路面相对基准平面的高度q，沿道路走向长度I的变化q（I）称为路面不平度函数。用水准仪或路面计可以得到路面不平度函数。第二节路面不平度的统计特性2.路面不平度的功率谱密度1）的拟合公式00WqqnGnGnnn—空间频率（m-1），表示每米长度包括几个波长；—参考空间频率下的路面功率谱密度，也称路面不平度系数；n0—参考空间频率，n0=0.1m-1；W—频率指数。第二节路面不平度的统计特性0()qGn()qGn()qGn路面等级Gq(n0)/(10-6m3)（n0=0.1m-1）σq/(10-3m)0.011m-1n2.83m-1几何平均值几何平均值A163.81B647.61C25615.23D102430.45E409660.90F16384121.80G65536243.61H262144487.222）路面不平度8级分类标准第二节路面不平度的统计特性路面不平度分级图第二节路面不平度的统计特性4()(2π)()qqGnnGn2()(2π)()qqGnnGn3）速度功率谱密度和加速度功率谱密度速度功率谱密度加速度功率谱密度当W=2时200()(2π)()qqGnnGn与n无关——“白噪声”第二节路面不平度的统计特性二、空间频率功率谱密度化为时间频率功率谱密度unfnuf当空间频率n或带宽Δn一定时，时间频率f与带宽Δf随车速成正比变化。第二节路面不平度的统计特性()()qqGnGf车速()qGn()qGf将代入2~ΔΔ0ΔlimqnqnσGnn2nq~21~ΔΔ0limΔqqqnGfGnunun单位频带内的“功率”（均方值）即为功率谱密度。空间频率的功率谱密度—路面功率谱密度在频带Δn内包含的“功率”。nuf第二节路面不平度的统计特性2~ΔΔ0ΔlimqnqfGff空间频率和时间频率谱密度的关系时间频率谱密度Gq(f)空间频