汽车振动与噪声控制及工程案例

第1章 汽车振动与噪声概述 1.1 引 言 我国汽车产业产销规模已经连续 11 年蝉联全球**，当前汽车工业正在积极响应“中国制造 2025”国家战略，推动中国由制造业大国向制造业强国转变。 早期的汽车发动机功率较低，在城市道路上行驶车速低，振动与噪声问题并不突出。汽车整车制造商重点关注和攻关的是汽车的使用性能、可靠性能和安全性能，随着汽车设计、仿真与制造技术的沉淀与积累，同级别不同品牌的汽车在这些方面的性能差距逐渐缩小，在一定行驶里程中乘客的感受差别不大。伴随着中国高速公路的快速发展，汽车的行驶车速不断提高，汽车的噪声、振动与不舒适性(noise，vibration and harshness，NVH) 问题日渐凸显，已成为汽车开发过程中*主要的问题之一，NVH 技术也成为我国汽车工业由“中国制造”转变为“中国创造”的关键技术之一。 随着我国汽车保有量的爆发式增长，城市道路建设日益满足不了汽车高效通行的需求，汽车尾气排放污染物和汽车噪声问题已成为城市的两大公害。为了改善城市交通振动与噪声环境，提升人们生活质量，我国的汽车振动与噪声限值法规与标准虽已日趋严格，但相较于汽车产业发达国家，国内汽车振动与噪声限值还存在较大的下调空间。2002 年发布的《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》，2005年才正式开始执行，并沿用至今。2017 年发布了《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》第三、四阶段的征求意见稿，但目前为止还没有具体实施。由政策文件可见，2023 年实施第四阶段计划时各类车型将要下降 3.4dB(A) 的加速噪声，国家政策与标准迫使汽车整车制造商研究振动与噪声的控制。对近年来的国家标准(GB)、国际自动机工程师学会 (SAE) 标准、国际标准化组织 (ISO) 标准、德国工业标准 (DIN)、欧洲标准 (EN)、欧洲规范 (Eurocode) 等这些标准对汽车质量的影响采用十分制方法评价，由评价分析结果可见振动与噪声业已成为汽车质量评估过程中的重要指标。 对于现代绝大多数消费者而言，驾驶或乘坐汽车时期望安静和平稳的同时还能够充分享受车内语音通信系统和多媒体娱乐系统，因此消费者在购车时，汽车振动与噪声往往成为重要的考量因素。除了噪声水平的影响外，汽车特有的声品质也成为特定消费群体考虑的因素之一。汽车整车制造商也非常重视振动与噪声性能及声品质，并以此作为新车型的卖点。 1.2 汽车中的振动与噪声问题 噪声是由频率和强度都不同的声音杂乱地组合而产生的，它常常使人感到烦躁。为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏度，客观物理量的声压级通常需要通过计权网络修正。经过听感修正的声压级，叫作计权声级或噪声级。A 计权声级在汽车行业使用*广泛，在本书中用 dB(A) 表示，也就是常说的分贝 (decibel)。汽车的振动以不同的方式影响乘员的生理和心理， 而乘员对振动暴露的反应主要取决于振动的频率、幅度与暴露的持续时间。长时间较大的振动与噪声，一方面对乘员的身体造成伤害，导致噪声性耳聋、晕车等症状；另一方面对乘员的精神带来较大负面影响，导致注意力难以集中、心情烦躁不安。 早在一百多年前，人们就开始了汽车行驶振动与噪声问题的研究。汽车的振动与噪声问题可以作为两个独立的问题来研究，但两者之间又存在着紧密的联系。 从整车的角度来看，振动与噪声源通过传递路径传递到人体。对于振动与噪声的控制包括对振动源和噪声源的控制、对传递路径的控制和对接受体的控制，降噪的根本是要控制振动源和噪声源，其次在传播路径上加以控制。 汽车的主要系统都“挂”在车身/车架上，动力总成系统通过悬置与车身/车架相连，悬架通过隔振垫或直接与车身/车架相连，排气系统通过挂钩与车身/车架相连。当汽车各系统受外界激励，做强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可达到非常大的值，这种现象叫共振，必须避免其发生。在汽车开发过程中，控制整车的振动与噪声通常作为重要的目标，将整车分解为多个系统，确定各个系统的频率范围，并保证相连接的两系统的模态频率分开，避免两系统之间发生共振或噪声的耦合，且要避开主要激励源的有效工作频段。因此，整车的振动与噪声分析是以整车模态频率规划表为基础，再对各个系统或部件的振动与噪声进行开发与控制的工作。 汽车的噪声又分为车外噪声与车内噪声。车外噪声的限值通常受国家法规所约束，车内的噪声与声品质对驾乘人员的主观感受有很大的影响。汽车的振动与噪声的开发通常分为三个层次：解决振动与噪声的激励源引起的异常振动与噪声，这也是 NVH 工程师*基础的工作；实现对车内声品质的控制，使得声音听起来具有“品质”感；*后是对声品质进行设计，设计出汽车品牌所特有的声音特点，并作为该车“DNA”的重要组成部分。 引起汽车振动的振动源有很多，主要是动力总成与道路激励引起的振动。 发动机往复运动与旋转运动部件未平衡的周期性动力构成了发动机的振动激励。动力总成振动通过动力总成悬置及其他与车身/车架连接的部件传递到车身/车架上，然后通过驾驶室悬置传递到驾驶室，*终通过地板与座椅传递给乘员。动力总成的解耦与隔振，降低动力总成的振动传递到车身/车架是汽车 NVH 的基础问题。 汽车传动系统是一个多自由度的振动系统，动力总成的转速与扭矩波动会进一步地直接影响整车传动的平稳性与乘坐的舒适性。理论上说，传动系统工作时不存在振动与噪声，但由于轴的质心和旋转几何轴心不在同一直线上，轴旋转时会产生跳动的离心力；两个轴连接时，轴线不在一条直线上，会产生径向跳动；齿轮的啮合不完全符合理想状态，出现一定误差，产生噪声。这些振动与噪声通过轴系、轴承作用传递到车身/车架上。 路面不平以及车轮旋转产生的不平衡动力通过悬挂系统传递到车身或再经车桥传递到车架上，再通过驾驶室悬置与座椅传递给驾驶室的乘员。 轮毂和轮胎通常是不均匀的，会存在车轮静不平衡或动不平衡的问题，当不均匀的车轮在运行时产生振动激励，而车轮旋转的角速度就是它的激振频率。车轮对汽车的振动舒适性的影响在平滑道路上*明显，这是由于汽车在粗糙路面上行驶时，悬架系统具有较大位移行程，低频振动时其阻尼也更大，同时粗糙路面上行驶产生的汽车振动本来就符合乘员的预期。而汽车的振动在平滑道路上比粗糙路面上更倾向于展示振动的周期性，这是车轮激励的振动，是导致驾驶员与乘员不满意的一个主要原因。 道路的不平度主要来自道路表面精度的随机偏差，还有道路的局部路面错位与失效。当汽车在道路上运行时，左右车轮因为道路的横向断面不平而在垂直方向上产生不一致的位移，从而造成车身/车架的侧倾运动，而左右车轮的轮心在高度上的差异是侧倾及其他侧倾运动的主要激励。车身或车架的俯仰运动是由隆起的道路引起的，当前轮先通过这些隆起，后轮再通过这些隆起时，汽车俯仰运动的动力响应频率取决于轴距和车速。俯仰运动的频率通常在 3.5Hz。路面不平激励还会引起单个车轮跳跃振动、车桥系统的平行振动或交替振动，转向车轮的绕转甚至会引起前轮的摆振问题。除了这些刚体模态外，道路不平或车轮激励导致汽车的各系统总成产生相对运动，如车轮的跳动、汽车系统的侧倾、俯仰运动等，使得车架/车身产生相应的模态振型。通常车身/车架的一阶弯曲模态频率在 6.9Hz，其他数十种不同的模态振型的频率分布范围在 10.20Hz。 汽车的噪声主要来源于动力传动系统噪声、轮胎/路面噪声和风噪声等，除此之外，进排气系统噪声、齿轮敲击声和制动啸叫声等也会引起驾乘人员的不舒适。 发动机的噪声是通过空气噪声路径、结构噪声路径和非直接噪声路径这三条路径进入驾驶室。空气噪声路径是指噪声从空气介质中传播到驾驶室钣金件等封闭件后，以透射方式进入驾驶室。结构噪声路径是发动机等振动源激励车身/驾驶室的钣金件等，使得这些钣金件产生振动，并引起声固耦合现象，从而产生噪声。非直接噪声路径是非常重要的，但这些泄漏路径或间接性路径常常被忽略。这些路径包括电线过孔、管路过孔、工艺孔、车窗和车门密封等。 轮胎/路面噪声是车轮在行驶过程中与路面接触、运动所产生的噪声，其产生机理极其复杂。轮胎/路面噪声可以分为两种：直接噪声 (车外噪声) 和间接噪声(车内噪声)。直接噪声主要由轮胎花纹噪声、道路凹凸噪声、轮胎弹性振动与噪声、轮胎自激振动与噪声和轮胎空气紊流噪声等构成。间接噪声可分为两类：一是以轮胎的均匀性不良为主要原因，使轮胎本身成为激励源发出噪声；二是由于路面凹凸不平，使得路面激励成为主要原因，引起轮胎弹性振动，并以车身为介质产生车内噪声。 当汽车速度较高时，风噪便成为主要噪声源。风噪按照表现形式可分为四类：脉动噪声、气吸噪声、风振噪声和空腔噪声。脉动噪声是由于空气作用在车身上，形成涡流并在车身表面产生压力波动而产生的噪声；气吸噪声是指车外的风声穿过车身或相邻部件的缝隙进入车内而产生的噪声；风振噪声是由于打开玻璃窗或天窗时，车身形成共振腔而发出低频轰鸣声；空腔噪声是因为车身外部部件存在缝隙，缝隙过大则形成小的空腔，当风吹进空腔，气流在空腔中振荡，就产生噪声。 进气系统按照一定规律将空气有效地输送至发动机，噪声来源于进气口的气动噪声，以及空气滤清器和消声共振器壳体的辐射噪声。排气系统将燃烧后的废气排放到大气中，同时使排出的废气污染减小、噪声减小。排气噪声包含以每秒钟内排气次数为基频的排气噪声、管道内气柱的共振噪声、排气歧管处的气流吹气声、废气喷注和冲击噪声、气缸亥姆霍兹共振噪声、气门杆背部的卡门涡流噪声和排气系统管道内壁面处的紊流噪声等。排气系统同时连接发动机和车身，因此发动机的振动也会通过排气系统作用在车身上。 制动系统中的振动与噪声问题。根据发生在非平稳摩擦中的振动与噪声现象又可以具体地分为以下几类：制动盘厚度变化导致的冷抖动以及热应力引起的热抖动、低鸣、颤鸣和尖叫。当制动器的接触面上有宏观几何缺陷时，会导致制动转矩产生振荡，引起制动系统的受迫振动/抖动并伴随出现嗡鸣声或低鸣声；当制动系统在特定摩擦系数下发生摩擦失稳时，引起制动系统的自激振动从而引发制动系统的颤振和低频颤鸣；制动转矩的不稳定性会使薄壁制动元件产生受迫振动并引发高频弯曲共振，在振动过程中产生相应的声波，从而产生制动尖叫。通常认为尖叫的发生是由于制动系统的动态失稳，并且同制动元件的共振特性及模态耦合有关。 车身是汽车的核心，汽车的主要系统都与车身相连，驾乘人员也封闭在车身内部，车身也是振动与噪声的传递通道，其结构特征直接影响驾乘人员的主观感受。 首先，来自发动机和道路的激励会直接作用在车身框架上，如果车身整体框架刚度不足，模态频率偏低，则车身很容易被激励，从而发生共振。在进行车身设计时，与车身相连的系统要尽可能安装在车身灵敏度低的地方。 其次，车身整体和局部结构的刚度和阻尼对抑制振动与噪声非常重要。车身整体指的是车身的框架结构，是车身的基础。车门、发动机舱盖、行李箱盖等多种附件支架均安装在框架上。如果框架结构刚度不足，附件支架不能得到良好的支撑，在小的冲击激励下发生摩擦，在大的冲击激励下发生碰撞，从而产生异响。 车身板结构振动而产生的噪声主要分为两类：一类是直接辐射噪声；另一类是板结构与车身声腔共振而产生的轰鸣声。车身板结构直接辐射噪声的原因是板薄且支撑跨度大，受外界激励使板振动而辐射噪声。在设计车身板结构时，避免使用比较大的平面板，尽可能提高频率。轰鸣声的原因是板的结构模态频率与声腔模态频率一致，产生结构{声腔耦合共振而发出低频的轰鸣声。 再次，精细的声学包设计。吸声原理、双层板隔声原理和空隙传播理论构成了狭义声学包装的理论基础。对车身的减振降噪*常用的手段是吸声和隔声材料的使用，阻尼材料和补强胶的广泛应用有效降低了局部结构的振动引起的辐射噪声。为了降低辐射噪声，双层板结构已