整车NVH研发结构噪声设计研究
张守元沈磊郁强
（上汽商用车技术中心）
摘要
本文提出一种研发初期中频室内结构噪声设计方法，根据数字“骡子样车”和参考样车模型有限元仿真结果，确定主要传递路径的结构噪声根源并设置相应子系统ＮＶＨ性能目标，通过子系统性能的提高实现整车目标。最后通过动力总成结构噪声设计实例验证了方法的有效性。
关键词：ＮＶＨ结构噪声有限元仿真
随着汽车市场竞争加剧，提高产品开发品质和缩短开发周期成为汽车研发的必然趋势，ＣＡＥ仿真在提高ＮＶＨ性能确保开发品质方面发挥至关重要的作用。现代整车研发周期不断缩短，传统的样车试验和设计循环研发模式已被淘汰，前沿的ＣＡＥ技术使数字样机仿真完全代表样车试验并在样车试制前对各种性能进行改进。与实车测试相比，ＣＡＥ仿真成本较低且对顾客需求、设计要求和各类约束反应迅速，能够平衡考虑汽车各种性能，从而实现最优设计。
ＮＶＨ仿真分析需要详细的整车有限元模型包括悬架、动力总成、车身等系统以描述各个系统间的相互作用，预测感兴趣频域内的响应。汽车结构噪声ＮＶＨ性能分析包括５０Ｈｚ以内的低频振动，３０－１００Ｈｚ频域内的低频噪声和５００Ｈｚ内的中高频噪声。５０Ｈｚ内的低频ＮＶＨ性能只包含一些基本的整车模态参数、白车身刚度等性能指标，因此求解效率较高，而对于５０Ｈｚ以上的中高频域，由于模态密集，噪声传递路径众多，成为ＮＶＨ目标制定与分析最困难领域［１］。本文阐述了新产品开发阶段使用有限元仿真进行整车ＮＶＨ设计的基本过程，重点叙述５０－１８０Ｈｚ频域内结构噪声传递路径分析时子系统目标的制定与实现方法，并通过设计实例证明了方法的有效性。
ＮＶＨ目标制定同新车型的市场定位密切相关，典型的目标设计团队包括设计师、ＮＶＨ专家和驾驶过同开发车型类似车辆的职业驾驶员，最终确定出使新车型在市场同类产品竞争中脱颖而出的ＮＶＨ特性。
同ＳＡＥ主观评价标准类似，设计中也采用十分制对ＮＶＨ性能进行分级［１］，而设计结束时产品性能目标的实现程度需要通过试验测试进行评价和量化。基于人体对振动噪声水平的反应，主观等级转化为客观测量值的方法参见表１。表中公式体现了主观等级与振动速度和Ａ计权声压级的关系。
虽然表中公式可以计算出主观等级具体数值，但实际中仅用于计算与参考样车比较时设计车主观等级需要的改进量。可以看出主观等级提高一级分别对应于振动速度降低４１％或声压级下降４８％，
前言
1总体N V H目标制定
表1主观等级与客观测量的转化
ＮＶＨ品质
主观等级公式主观等级提高
一级的改变量
振动水平ｍｍ／ｓｅｃＲ＝８．１９－４．３４
＊Ｌｏｇ（ν）
－４１％
声压级ｄＢＡＲ＝１３．６－０．１７５
＊ＳＰＬ－４８％
说明主观等级的提高人体可有明显的感觉同时，也说明分级的合理性。
１．１车辆对标试验
ＮＶＨ目标设定过程中需要同市场一些有竞争力的车型进行ＮＶＨ品质对标，同时也需要市场中同档次车型作为设计参考，典型的对标结果如表２。
对标过程首先是在各种载荷工况下进行ＮＶＨ特性试验，新产品ＮＶＨ目标可以设定为参考样车测量值与对标车比较需要的改进量［２］。试验测试必须有高的准确性和可重复性，从而通过逼近试验结果获得更符合实际性能的仿真。样车试验得到的客观结果与主观评价应当与表１中公式计算得到的结果对应，否则应当对公式加以系数修正，以便在新车目标实现的过程中对设计进展进行主观评估。
１．２样车模型建立
在现有的ＮＶＨ仿真技术水平下，模拟分析的最大用途是趋势预测而并非具体数值的获取。根据Ｋｏｍｐｅｌｌａ和Ｂｅｒｎｈａｒｄ对９９辆某款ＳＵＶ的试验研究［３］，室内结构噪声的试验误差在４０－１５０Ｈｚ内为１０ｄＢ，１５０－５００Ｈｚ内则高达２０ｄＢ。有限元模型同实际样车相比，不存在制造和装配误差，只是网格划分和模拟方法存在差异，这类差异可通过制定仿真指南进行控制，仿真模型的置信度由仿真结果是否在试验误差范围内确定。新车模型ＮＶＨ性能目标实现程度的判定需要详细的参考样车有限元模型并要求其能正确预测ＮＶＨ特性趋势。建立的参考样车模型必须与新车模型同样详细，技术更新时两模型同步更新，以确保良好的趋势预测能力。
ＮＶＨ目标设定的挑战在于设计开始阶段没有足够的ＣＡＤ数据建立准确的有限元模型，而目标设定模型必须与参考样车模型同样精确，因此骡子样车模型通常采用已有有限元模型拼凑而成。数字骡车中的部件不管其来源如何都必须能够模拟实际部件，且为了提取有效目标值，数字骡车应当包含初始设计意图。研发初始阶段，设计方案只包含一些整车基本信息，如前后悬架和转向系统布置、动力总成配置等，动力传动／悬架系统通常根据布置形式和整车操纵特性固定于车身，而连接点决定了噪声传递路径，根据这些数据便可进行骡车合成［４］。
通过仿真进行ＮＶＨ性能评估和目标设定是数字“骡子样车”合成的主要目的，同时也应当考虑碰撞性能、操纵性能等对基本构成的影响。由于开发流程的时间限制，仅能进行一轮的数字骡车合成来设定ＮＶＨ目标，因此，数字骡车模型应确保子系统噪声传递路径有好的ＮＶＨ特性。通过有内饰的车身模型分析，确保车身子系统一些关键的传递路径满足最低性能指标［５］。最后进行底盘和动力总成组建，装配完成后的骡车模型应当与参考样车模型同样详细。
１．３数字“骡子样车”模拟
骡车模拟必须考虑各类ＮＶＨ载荷工况，这些工况应覆盖车辆所受激励的所有频域。载荷工况按来源分为两类：来自悬架的载荷和来自驱动系统的载荷［６］。ＮＶＨ载荷工况见表３。
固有载荷存在于每个车辆，可以通过测试或计算确定，周期载荷一般是由制造误差和旋转不平衡引起。根据表３中的载荷工况分别进行骡车室内噪声仿真并将分析结果与设定目标比较，得出每个工况需要的改进目标。设计过程中车辆不同性能的实现常常出现矛盾，某一领域性能的提高会使另一领域性能下降，因此ＮＶＨ目标的实现应综合考虑各种性能达到最优设计。ＮＶＨ性能评估时侧重固有载
表２车辆对标分析
固有载荷周期载荷
悬架引起路面冲击车轮不平衡粗糙路面轮胎力变化
驱动系统引起发动机燃烧和往复
不平衡
驱动轴和
半轴不平衡挂档怠速力矩耦合器不平衡
恒速巡航
ＷＯＴ加速
齿轮啮合
误差
主观等级同现有产品差异
对标车参考车对标车
ＷＲＴ
参考车
减少量
ＷＲＴ
参考车
路面冲击＋１１／２＋１／２＋１４．５ｄＢＬ
路面噪声＋１＋１／４＋３／４３．２ｄＢＡ
怠速冲击＋２１／２＋１＋１１／２６．６ｄＢＬ
怠速轰鸣＋１＋１／２＋１／２２．７ｄＢＡ
Ｐ／ＴＷＯＴ噪声＋２＋１／２＋１１／２８．３ｄＢＡ
ｄＢＬ根据公式ｄＢＬ＝２０Ｌｏｇ（ｖ／ｖｒｅｆ）计算，其中Ｖｒｅｆ＝１ｍｍ／ｓ
表３整车ＮＶＨ仿真载荷工况
