汽车NVH控制与轻量化
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汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
庞 剑
2014年3月19日
1
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
目 录
一．NVH现象与基本问题
二．噪声与振动源
三．噪声与振动传递通道
四．NVH的控制
五．汽车声品质 六．轻量化带来的NVH问题
2
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
什么是性能
动态性能
噪声与振动（NVH） 碰撞安全性能 行驶操纵性能 燃油经济性能 环境温度性能
Miscellaneous noise from the engine compartment 200-2000 Hz sound, usually a tone and its harmonics
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
8
NVH – 车速 – 发动机转速的关系
动力系统(P/T) NVH
风噪Wind Noise 路噪Road Noise
车速Vehicle speed
Powertrain NVH Dominance
Road NVH Dominance
Wind NVH Dominance
Wind NVH Road NVH Powertrain NVH Speed
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
……
Noise source N Vibration source 1 Vibration source 2
• 通道
……
Vibration source N
通道 接受体 源
• 接受体
P
P 通道 Pj
源 源 通道 P
F i
源
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
3
汽车所有的结构都有NVH问题
车身 动力系统 底盘及悬架 环境控制系统 电子系统 ……
在所有性能领域（NVH， 安全碰撞、操控、燃油经 济性、等）中，NVH是设计面最广的领域。
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
4
什么是NVH
NVH: Noise, Vibration and Harshness 噪声 Noise:
6000
• • • •
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
1 cylinder engine: firing order: ½ order 2 cylinder engine: firing order: 1st order 4 cylinder engine: firing order: 2nd order 6 cylinder engine: firing order: 3rd order
CG r
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
2
3）由十字连接引起的2阶激励
r A
O B
22
1.5 启动噪声
发动机缸盖15CM处
CM5_CB10改进前 浪迪_K14 五菱_B12 CM5_CB10改进后
改进方案为：1、加强飞轮 2、飞轮启动齿轮不倒角
3、加大飞轮启动齿圈直径
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
Balance Plane
21
1）齿轮啮合
完好的齿轮啮合应该是 几何完满 对中完美 齿轮刚度无限大 •实际的齿轮啮合为:
1 * R1 2 * R 2
1* R1 2 * R 2
1
R1
2
R2
传递误差
2）轴的不平衡
TE =
1 * R1 2 * R 2
F m r
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
18
变速器敲击
60000
50000
40000
MB1 Mag Excite MB1 Mag JOA MB2 Mag Excite MB2 Mag JOA
Force Magnitude (N)
30000
MB3 Mag Excite MB3 Mag JOA MB4 Mag Excite
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
27
3. 风激励噪声
• 风激励噪声: 由于气流绕着汽车运动而产生的噪声
• 激励源:
– 空气动力湍流 – Cavity resonance
– 其他: 天线的涡流, 挡风玻璃的湍流产
> 90 km/h
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
28
目 录
一．NVH现象与基本问题
23
1.6 进气系统和排气系统的NVH
进气系统
排气系统
Orifice
Tailpipe
歧管的设计与声品质
3 2 1 进气总管 4 6 5
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
24
1)进气系统NVH 空滤器 进气口噪声 壳体的辐射噪声
四分之一波长管 谐振腔
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
16
彩色图来表达
与发动机相关的NVH表达图
可以用三维水瀑图来表达 Waterfall Plot
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
17
1.2 变速器源
变速器啸叫 • T.E. vs. Gear Noise
Gear Mesh
Xa
齿轮制造精度不够 齿轮匹配对中不好 齿轮材料不好
Xb
啸叫的原因：齿轮捏合不好
静态性能
汽车的外观造型及色彩 汽车的内室造型、装饰、色彩 内室及视野 座椅及安全带对人约束的舒适性 娱乐音响系统 灯光系统 硬件功能 维修保养性能 重量控制
乘坐的舒适性能
排放性能 刹车性能 防盗安全性能 电子系统性能 可靠性能
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
NVH是汽车最重要的指标之一
25
1)排气系统NVH 控制方法：
控制指标
挂钩传递到车体的力 排气尾管噪声
消音器的设计 波纹管/球连接的选择 吊耳刚度 。。。。。。
壳体辐射噪声
质心
z x y
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
26
2.路面-悬挂-底盘的NVH源
• 激励源 – 路面表面的形状 – 轮胎的刚度和压力 – 轮胎块的长度和形状 – 轮胎的宽度和尺寸 – 汽车的速度 • 传递路径隔离 – 悬挂的隔振设计 – 结构模态: 控制臂, 稳定杆, 等 – 轮胎的声腔模态和结构模态的耦合 • 响应: 车身灵敏度
是人们不希望的声音 注解: 声音有时是我们需要的 是由频率, 声级和品质决定的 频率范围: 20-10,000 Hz
振动Vibration
人身体对运动的感觉, 频率通常在0.5-200 Motion sensed by the body, mainly in .5 hz- 50 hz range 是由频率, 振动级和方向决定的
动力总成的辐射噪声
悬置位置的振动 附件的振动及辐射噪声
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
20
1.4 传递轴系的NVH
第一阶传递轴激励 传递齿轮啸叫 2阶激励
分动器 前半轴 变速箱 万向节 后驱动桥
支撑轴承
前驱动桥 前传递轴 后传递轴
后半轴
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
10
30
50
70 Speed
90
110
130
150
9
NVH与频率的关系
路面及动力系统 的振动 Road & P/T Vibration
路面及动力系统的噪声Road & P/T Sound
动力系统的声品质
P/T Sound Quality
风激励噪声Wind Noise
0 Hz 100 Hz 250 Hz 800 Hz 5000 Hz
NVH影响到售后服务 约1/5的售后服务与NVH有关
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
6
决定NVH的因素
顾客的要求
政府法规
公司的需要和技术 能力
竞争车
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
7
NVH对不同的声音和振动有特定的描述
Boom: Clunk: Drone, Moan: Groan: Growl: Harshness: Rattle: Rumble: Shake: Shudder: Squeal: Tick and Hash: Whine: Drumming Low frequency (20-100 Hz) sound Transient, low frequency, broadband noise Large amplitude 80-200 Hz sound 100-150 Hz disturbance at start-up Broadband noise in the range 100-1000 Hz Combination of noise and vibration leading to a hard road feel Noise of metallic parts in contact, usually random Broadband 100-500 Hz noise, varying in amplitude Low frequency (<20 Hz) vertical or lateral vibrations Low frequency (<20 Hz) longitudinal vibrations of a vehicle
二．噪声与振动源
三．噪声与振动传递通道
四．NVH的控制
五．汽车声品质 六．轻量化带来的NVH问题
29
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
1. 车内噪声传递路径分析的基本概念
车内噪声和振动往往是由多个激励，经由不同的传 递路径抵达目标位置后叠加而成的。车内噪声总体上可 分为结构声和空气声两种。
车内噪声
• • • 进气 排气 风扇
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
14
曲轴扭转振动 引起的问题
曲轴共振 曲轴的应力集中和断裂
阻尼器Damper
1. 橡胶阻尼器
2. 液压阻尼器
8
Response @ Inertia M
6
4
2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
10
源-通道-接受体模型
• 源
– – – – – – – – – – – – 动力系统 风 路面 其他 底盘 车身 内饰 其他 耳朵 手 脚 座椅
多通道分析
Noise source 1 Noise source 2 Noise path 1 Noise path 2 Noise path … Vibration path 1 Vibration path 2 Vibration path … Interior Sound & Vibration
15
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
Excitation Frequency Ratio (f/fo)
发动机阶次-转速-频率的关系
Frequency (Hz) 600 6th order
发火频率
fd rpm Num berof Cylinder * 60 2
300 3rd order 100 Engine speed (rpm) 1st order
结构传递途径 structure-borne
空气传播途径 air-borne
500 Hz
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
2. 结构噪声与空气噪声
Pj
源
源 源
11
Fi
目 录
一．NVH现象与基本问题
二．噪声与振动源
三．噪声与振动传递通道
四．NVH的控制
五．汽车声品质 六．轻量化带来的NVH问题
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庞剑：汽车NVH控制源自文库轻量化带来的挑战
1. 动力系统源
Powertrain Powertrain
Mount
Intake
Exhaust
Powerplant
20000
MB4 Mag JOA
10000
0 0 100 200 300 400 500 600 700 Crank Angle (degrees)
敲击的原因：
曲轴扭振 传动轴系转速波动
变速器齿轮间隙控制不好
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
19
1.3 动力总成NVH
动力总成的弯曲模态
不舒服的感觉Harshness
- Rough, grating or discordant sensation
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
5
为什么要做NVH?
NVH对顾客非常重要 NVH的好坏是顾客购买汽车的一个非常重要的因素. NVH影响顾客的满意度
在所有顾客不满意的问题中, 约有1/3是与NVH有关.
Driveline
动力总成 Powerplant
Engine
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
Transmission
13
1.1 发动机噪声源
燃烧噪声
活塞载荷 气缸盖载荷 曲轴轴承载荷
机械振动与噪声
曲轴系统 突轮轴系统 链,齿轮,皮带 非燃烧引起的冲击 附件
流动噪声
庞 剑
2014年3月19日
1
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
目 录
一．NVH现象与基本问题
二．噪声与振动源
三．噪声与振动传递通道
四．NVH的控制
五．汽车声品质 六．轻量化带来的NVH问题
2
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
什么是性能
动态性能
噪声与振动（NVH） 碰撞安全性能 行驶操纵性能 燃油经济性能 环境温度性能
Miscellaneous noise from the engine compartment 200-2000 Hz sound, usually a tone and its harmonics
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
8
NVH – 车速 – 发动机转速的关系
动力系统(P/T) NVH
风噪Wind Noise 路噪Road Noise
车速Vehicle speed
Powertrain NVH Dominance
Road NVH Dominance
Wind NVH Dominance
Wind NVH Road NVH Powertrain NVH Speed
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
……
Noise source N Vibration source 1 Vibration source 2
• 通道
……
Vibration source N
通道 接受体 源
• 接受体
P
P 通道 Pj
源 源 通道 P
F i
源
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
3
汽车所有的结构都有NVH问题
车身 动力系统 底盘及悬架 环境控制系统 电子系统 ……
在所有性能领域（NVH， 安全碰撞、操控、燃油经 济性、等）中，NVH是设计面最广的领域。
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
4
什么是NVH
NVH: Noise, Vibration and Harshness 噪声 Noise:
6000
• • • •
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
1 cylinder engine: firing order: ½ order 2 cylinder engine: firing order: 1st order 4 cylinder engine: firing order: 2nd order 6 cylinder engine: firing order: 3rd order
CG r
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
2
3）由十字连接引起的2阶激励
r A
O B
22
1.5 启动噪声
发动机缸盖15CM处
CM5_CB10改进前 浪迪_K14 五菱_B12 CM5_CB10改进后
改进方案为：1、加强飞轮 2、飞轮启动齿轮不倒角
3、加大飞轮启动齿圈直径
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
Balance Plane
21
1）齿轮啮合
完好的齿轮啮合应该是 几何完满 对中完美 齿轮刚度无限大 •实际的齿轮啮合为:
1 * R1 2 * R 2
1* R1 2 * R 2
1
R1
2
R2
传递误差
2）轴的不平衡
TE =
1 * R1 2 * R 2
F m r
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
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变速器敲击
60000
50000
40000
MB1 Mag Excite MB1 Mag JOA MB2 Mag Excite MB2 Mag JOA
Force Magnitude (N)
30000
MB3 Mag Excite MB3 Mag JOA MB4 Mag Excite
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
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3. 风激励噪声
• 风激励噪声: 由于气流绕着汽车运动而产生的噪声
• 激励源:
– 空气动力湍流 – Cavity resonance
– 其他: 天线的涡流, 挡风玻璃的湍流产
> 90 km/h
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
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目 录
一．NVH现象与基本问题
23
1.6 进气系统和排气系统的NVH
进气系统
排气系统
Orifice
Tailpipe
歧管的设计与声品质
3 2 1 进气总管 4 6 5
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
24
1)进气系统NVH 空滤器 进气口噪声 壳体的辐射噪声
四分之一波长管 谐振腔
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
16
彩色图来表达
与发动机相关的NVH表达图
可以用三维水瀑图来表达 Waterfall Plot
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
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1.2 变速器源
变速器啸叫 • T.E. vs. Gear Noise
Gear Mesh
Xa
齿轮制造精度不够 齿轮匹配对中不好 齿轮材料不好
Xb
啸叫的原因：齿轮捏合不好
静态性能
汽车的外观造型及色彩 汽车的内室造型、装饰、色彩 内室及视野 座椅及安全带对人约束的舒适性 娱乐音响系统 灯光系统 硬件功能 维修保养性能 重量控制
乘坐的舒适性能
排放性能 刹车性能 防盗安全性能 电子系统性能 可靠性能
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
NVH是汽车最重要的指标之一
25
1)排气系统NVH 控制方法：
控制指标
挂钩传递到车体的力 排气尾管噪声
消音器的设计 波纹管/球连接的选择 吊耳刚度 。。。。。。
壳体辐射噪声
质心
z x y
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
26
2.路面-悬挂-底盘的NVH源
• 激励源 – 路面表面的形状 – 轮胎的刚度和压力 – 轮胎块的长度和形状 – 轮胎的宽度和尺寸 – 汽车的速度 • 传递路径隔离 – 悬挂的隔振设计 – 结构模态: 控制臂, 稳定杆, 等 – 轮胎的声腔模态和结构模态的耦合 • 响应: 车身灵敏度
是人们不希望的声音 注解: 声音有时是我们需要的 是由频率, 声级和品质决定的 频率范围: 20-10,000 Hz
振动Vibration
人身体对运动的感觉, 频率通常在0.5-200 Motion sensed by the body, mainly in .5 hz- 50 hz range 是由频率, 振动级和方向决定的
动力总成的辐射噪声
悬置位置的振动 附件的振动及辐射噪声
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
20
1.4 传递轴系的NVH
第一阶传递轴激励 传递齿轮啸叫 2阶激励
分动器 前半轴 变速箱 万向节 后驱动桥
支撑轴承
前驱动桥 前传递轴 后传递轴
后半轴
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
10
30
50
70 Speed
90
110
130
150
9
NVH与频率的关系
路面及动力系统 的振动 Road & P/T Vibration
路面及动力系统的噪声Road & P/T Sound
动力系统的声品质
P/T Sound Quality
风激励噪声Wind Noise
0 Hz 100 Hz 250 Hz 800 Hz 5000 Hz
NVH影响到售后服务 约1/5的售后服务与NVH有关
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
6
决定NVH的因素
顾客的要求
政府法规
公司的需要和技术 能力
竞争车
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
7
NVH对不同的声音和振动有特定的描述
Boom: Clunk: Drone, Moan: Groan: Growl: Harshness: Rattle: Rumble: Shake: Shudder: Squeal: Tick and Hash: Whine: Drumming Low frequency (20-100 Hz) sound Transient, low frequency, broadband noise Large amplitude 80-200 Hz sound 100-150 Hz disturbance at start-up Broadband noise in the range 100-1000 Hz Combination of noise and vibration leading to a hard road feel Noise of metallic parts in contact, usually random Broadband 100-500 Hz noise, varying in amplitude Low frequency (<20 Hz) vertical or lateral vibrations Low frequency (<20 Hz) longitudinal vibrations of a vehicle
二．噪声与振动源
三．噪声与振动传递通道
四．NVH的控制
五．汽车声品质 六．轻量化带来的NVH问题
29
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
1. 车内噪声传递路径分析的基本概念
车内噪声和振动往往是由多个激励，经由不同的传 递路径抵达目标位置后叠加而成的。车内噪声总体上可 分为结构声和空气声两种。
车内噪声
• • • 进气 排气 风扇
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
14
曲轴扭转振动 引起的问题
曲轴共振 曲轴的应力集中和断裂
阻尼器Damper
1. 橡胶阻尼器
2. 液压阻尼器
8
Response @ Inertia M
6
4
2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
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源-通道-接受体模型
• 源
– – – – – – – – – – – – 动力系统 风 路面 其他 底盘 车身 内饰 其他 耳朵 手 脚 座椅
多通道分析
Noise source 1 Noise source 2 Noise path 1 Noise path 2 Noise path … Vibration path 1 Vibration path 2 Vibration path … Interior Sound & Vibration
15
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
Excitation Frequency Ratio (f/fo)
发动机阶次-转速-频率的关系
Frequency (Hz) 600 6th order
发火频率
fd rpm Num berof Cylinder * 60 2
300 3rd order 100 Engine speed (rpm) 1st order
结构传递途径 structure-borne
空气传播途径 air-borne
500 Hz
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
2. 结构噪声与空气噪声
Pj
源
源 源
11
Fi
目 录
一．NVH现象与基本问题
二．噪声与振动源
三．噪声与振动传递通道
四．NVH的控制
五．汽车声品质 六．轻量化带来的NVH问题
12
庞剑：汽车NVH控制源自文库轻量化带来的挑战
1. 动力系统源
Powertrain Powertrain
Mount
Intake
Exhaust
Powerplant
20000
MB4 Mag JOA
10000
0 0 100 200 300 400 500 600 700 Crank Angle (degrees)
敲击的原因：
曲轴扭振 传动轴系转速波动
变速器齿轮间隙控制不好
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
19
1.3 动力总成NVH
动力总成的弯曲模态
不舒服的感觉Harshness
- Rough, grating or discordant sensation
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
5
为什么要做NVH?
NVH对顾客非常重要 NVH的好坏是顾客购买汽车的一个非常重要的因素. NVH影响顾客的满意度
在所有顾客不满意的问题中, 约有1/3是与NVH有关.
Driveline
动力总成 Powerplant
Engine
庞剑：汽车NVH控制与轻量化带来的挑战
Transmission
13
1.1 发动机噪声源
燃烧噪声
活塞载荷 气缸盖载荷 曲轴轴承载荷
机械振动与噪声
曲轴系统 突轮轴系统 链,齿轮,皮带 非燃烧引起的冲击 附件
流动噪声