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普通高等教育 “ 十一五 ” 国家级规划教材 《 汽车车身设计 》

普通高等教育 “ 十一五 ” 国家级规划教材 《 汽车车身设计 》. 第五章 车身 NVH 特性研究. 第一节 汽车 NVH 特性 一、概述. NVH N — Noise （噪声） V — Vibration （振动） H — Harshness （声振粗糙感） 三者常同时出现且密不可分 汽车 NVH 特性 指在车室振动、噪声的作用下，乘员舒适性主观感受的变化特性 是人体触觉、听觉以及视觉等方面感受的综合体现，也可以用振动、噪声等性能的客观物理量加以衡量. 汽车上的振动 路面不平度引起的车身垂直方向振动 发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动 转向轮的摆振

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普通高等教育 “ 十一五 ” 国家级规划教材 《 汽车车身设计 》

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  1. 普通高等教育“十一五”国家级规划教材《汽车车身设计》普通高等教育“十一五”国家级规划教材《汽车车身设计》

  2. 第五章 车身NVH特性研究

  3. 第一节汽车NVH特性 • 一、概述 • NVH • N—Noise（噪声） • V—Vibration（振动） • H—Harshness（声振粗糙感） • 三者常同时出现且密不可分 • 汽车NVH特性 • 指在车室振动、噪声的作用下，乘员舒适性主观感受的变化特性 • 是人体触觉、听觉以及视觉等方面感受的综合体现，也可以用振动、噪声等性能的客观物理量加以衡量

  4. 汽车上的振动 • 路面不平度引起的车身垂直方向振动 • 发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动 • 转向轮的摆振 • 传动系的扭转振动等 • 特点 • 很多振动都是随机振动，通常用振动量的均方根值来衡量，并且按照频率加权计算 • 对人体舒适性影响较大的振动主要表现为界面点对人体输入的低频振动，频率范围1~80Hz左右 • 界面点：转向盘、仪表板、地板、座椅、耳旁

  5. 噪声 • 是NVH问题中很重要的部分 • 车内噪声 • 车身壁板振动产生的噪声 • 空气冲击摩擦车身形成的噪声 • 外界噪声源（如发动机、轮胎、制动器等）传入的噪声 • 车外噪声 • 城市环境主要的噪声源，必须严格控制 • 标准 • 车外噪声： • GB1495-2002：汽车加速车外噪声小于88dB，M1类汽车应小于77 dB • 车内噪声： • 美国在1985年就规定公共汽车的车内噪声不得超过80dB • 我国尚无强制性法规

  6. 噪声的计算 • 早期，以试验方法为主 • 利用诊断技术识别出噪声源，然后通过改进声源结构减小其产生的噪声，或切断噪声的传播途径来控制车内噪声 • 仿真计算 • 借助噪声分析软件，建立声学模型 • 预测车内噪声，分析其产生机理和传播途径，在产品设计阶段对噪声进行有效控制

  7. 声振粗糙感 指的是振动和噪声的品质 不是一个与振动、噪声相并列的物理概念 描述的是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度量 汽车的乘坐舒适性最终要表现为人体的感觉，所以声振粗糙感在NVH特性研究中占有十分重要的地位 汽车公司采用专家实际乘坐汽车的方式来最终评价汽车NVH特性

  8. 第一节汽车NVH特性 • 二、声学基础理论 1.噪声的客观量度 声压p——是指媒质受到声扰动后压强的改变量。设静态大气压强为p0，空气受到声扰动后的压强为p，则 声强I——在单位时间内流过垂直于声传播方向上的单位面积的平均声能通量 声压级 声强级

  9. 2、噪声的主观量度与计权声级 • 人耳对噪声的主观感受不但与声音的强弱有关，还与频率有关，在人耳敏感频段的声音听起来会更响一些 • 以1000Hz纯音为标准定义其声压级为响度级，单位为phon。其它频率声音的响度级通过与1000Hz的纯音相比较确定 • 将不同频率下同样响度级的各点连接起来，得到等响曲线

  10. 2、噪声的主观量度与计权声级 • 为了使声音的量度与人耳听觉感受一致，在声级计等测量仪器上都设置了频率计权网络（即滤波器），对所测量的噪声信号按频带进行衰减 • 根据频率响应特性不同，计权网络可分为多种 • A级计权网络 • 按照40phon等响曲线修正的，代表着人耳对低声压噪声响亮程度的感觉 • 与噪声对人体的危害程度有良好的相关性，最能反映人耳与噪声频率响应特性之间的关系 • 应用最为广泛

  11. 第一节汽车NVH特性 三、汽车中的NVH现象 • 汽车 • 激励源：发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平路面和风等 • 传递器：悬架系统、悬置系统、车身结构系统 • 响应器：车身和车室空腔

  12. 汽车 • 激励源：发动机、传动系统、车轮和轮胎、不平路面和风等 • 传递器：悬架系统、悬置系统、车身结构系统 • 响应器：车身和车室空腔 • 汽车上的NVH现象 • 描述乘员的主观感受 • 分为振动、噪声等多种感觉 • 将乘员的主观感受与客观的描述联系起来，用于对汽车NVH特性的评价与诊断

  13. 第一节汽车NVH特性 四、车身的NVH特性 • 车身系统是整车NVH系统的响应器，其振动响应特性直接影响着整车的NVH特性 • 车身作为振动、噪声传递途径中的重要环节，其声学传递特性也对车内的噪声水平有重要的影响 • 车内噪声 • 结构噪声：外界激励引起车身壁板振动产生的噪声 • 空气噪声：车室外通过车身孔隙进入车内的噪声

  14. 第二节NVH特性设计方法 • 汽车NVH特性设计方法 • 建立在CAE基础之上 • 以改善汽车NVH特性为目标 • 声学设计方法：以降低车内总体噪声水平为目的 • 汽车NVH特性设计方法贯穿于新车型的研发过程，也在现有车型的改进设计中起到重要作用

  15. 调研，对标，确定整车NVH特性目标 • 整车仿真分析 • 分级匹配各系统、子系统的NVH目标 • 部件结构设计，实现子系统和整车的性能目标 • 样车的试验与调整 整车研发过程中，NVH特性研究分为以下四个阶段：

  16. 第二节NVH特性设计方法 一、整车NVH目标的确定 • 整车水平的NVH目标在项目的早期制订 • 主要步骤： • 根据目标人群特点和顾客的驾驶评估确定与汽车NVH特性相关的重要项目，如：车内噪声、地板振动、转向盘抖动等 • 制订主观NVH目标 • 对标、顾客和专家的驾驶评价 • 对将要开发汽车性能的未来规划 • 车内的噪声水平、振动感受等 • 对标车试验，据此建立整车NVH目标 • 确定其客观性能 • 将主观NVH目标转化为客观的整车NVH目标 • 驾驶员耳旁声压级、敏感点加速度响应、车身振动模态频率等 • 研究并规划在这个市场定位水平上的未来NVH特性的改进趋势

  17. 整车水平的NVH目标包括： • 与不平路面有关的前座椅振动、转向盘抖动 • 与风噪声有关的高速时的前座椅处的噪声水平 • 与动力总成有关的起动时的抖动 • 怠速期间驾驶员的右耳噪声和踏板振动水平等 • 汽车各系统模态频率的分配

  18. 不同系统和子系统的模态频率对于确定汽车整体NVH特性起着关键作用不同系统和子系统的模态频率对于确定汽车整体NVH特性起着关键作用 • 例： • 为防止共振，系统模态频率之间应该分离，并与激励频率分开 • 某汽车装备V6发动机，其稳态怠速转速650r/min；发动机首阶激励（第3阶）在32.5Hz，对转向柱的抖动特性影响很大 • 根据转向柱支承系统实际情况，将其垂直方向模态频率设置为29Hz，横向模态设置为36Hz，降低了转向柱管的抖动，改善了整车的NVH特性

  19. 第二节NVH特性设计方法 二、NVH目标的分级 • 分级 • 结合试验和CAE方法，指将整车NVH目标转化为车身结构、动力总成悬置等系统和部件目标水平的过程 • 例：一阶模态频率、车身接头刚度、车身在悬架上的安装部位刚度等 • 为设计人员提供相关部件设计的详细准则

  20. 车身系统的NVH特性目标包括 • 弯曲和扭转刚度 • 模态特性 • 声学振动灵敏度 • 噪声的衰减特性 • 动力总成的振动及其辐射的噪声 • 底盘悬架系统的动态特性等

  21. 新开发汽车的分级 • 参考BIC汽车的基本数据实现 • BIC的系统和部件NVH特性水平作为初始设计目标 • 再根据经验，结合实际情况进行修改，作为早期系统和部件的NVH目标 • 结构设计师按照部件的目标要求进行结构设计

  22. 第二节NVH特性设计方法 三、NVH设计中的CAE方法介绍 • NVH设计过程中，为进行NVH目标的分级、评价，改善汽车的NVH特性，应建立用于整车NVH特性研究的CAE模型 • 不同子系统、不同NVH问题，采用的CAE方法不同 • 悬架、转向系等系统 • 研究其低频范围的动力学特性时主要采用多刚体系统动力学方法 • 对40Hz以下NVH特性的模拟非常准确 • 刚度较小的系统（如车身系统） • 采用有限元方法建立弹性体（或柔体）模型，再与多刚体系统模型相结合，建立整车的刚弹耦合模型模拟 • 适用的频率范围也提高到200Hz以上

  23. 车内低频噪声的计算 • 一般是利用有限元方法实现 • 将车内空腔划分网格，建立有限元模型 • 车内空腔与车身结构模型耦合，建立声固耦合模型 • 计算车室空腔的声学特性，车内噪声响应 • 中高频（300Hz以上）NVH特性的仿真 • 应采用建立在空间声学和统计力学基础上的统计能量分析（SEA）方法

  24. 第三节刚弹耦合系统的仿真分析 有限元方法 + 多刚体系统动力学方法，建立整车的刚弹耦合模型，预测车身的振动和车室内的声压

  25. 第三节刚弹耦合系统的仿真分析 二、模型的建立与仿真分析 建立车身有限元模型 进行超单元分析 将车身超单元转换成为多体系统中的弹性体文件 建立底盘的多体模型并与弹性体车身相连接 整车的刚弹耦合系统模型 1．建立整车刚弹耦合模型

  26. 前悬架ADAMS 模型

  27. 转向系模型

  28. 减振器模型

  29. 悬架弹簧特性曲线

  30. 车身骨架模型 共有24469 个节点，29100 个单元，单元尺寸为50mm，板厚1mm。利用它建立超单元并生成柔体车身

  31. 1．建立整车刚弹耦合模型 • 整车模型的建立 • 将上述各种子系统在ADAMS/Car 标准模块下进行装配连接，就可以得到整车的仿真模型

  32. 加速度传感器、数据采集系统、电荷放大器等 车速80 km/h 在B 级沥青路面上行驶匀速直线行驶 测量副车架左后悬置与车身连接处振动加速度信号，采样频率为4kHz，采样时间10 秒 2、整车刚弹耦合模型的仿真分析 • 模型的标定和校验 • 整车虚拟样车模型建立之后，采用与实车实验数据对照的方法对模型进行标定和校验

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