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1、作者：董显铨作者：董显铨2006.102006.10尚未发表尚未发表 请勿引用请勿引用现代轿车研发中现代轿车研发中的的振动与声学工程振动与声学工程目目 录录1.1.从从19811981年使用年使用 LMS LMS 的第一个模态分析软件说起的第一个模态分析软件说起2.2.顾客对轿车性能的需求以及轿车研发中的技术目标顾客对轿车性能的需求以及轿车研发中的技术目标3.3.现今轿车的噪声振动状况与技术要求现今轿车的噪声振动状况与技术要求4.4.轿车振动与声学工程概要轿车振动与声学工程概要5.5.整车的振动与声学问题整车的振动与声学问题6.6.子系统及部件振动与声学问题子系统及部件振动与声学问题7.7.解
2、决振动与声学问题的方法学解决振动与声学问题的方法学8.8.解决噪声与振动问题的案例解决噪声与振动问题的案例1.1.从从19811981年使用年使用 LMS LMS 的的2.2.第一个模态分析软件说起第一个模态分析软件说起1981年年 LMS 公司开发出第一个模态分析软件包。相应的硬件是HP-5451C。成功地用于解决材料冲击实验机的振动干扰问题并将衰减该振动的方法申报并获得德国发明专利。因此本人获德国工学博士。1985年年中国计量科学院振动实验室购买 LMS 模态分析软件。1990年年宝马汽车公司研发中心的噪声及振动中心模态实验室全部更换为 LMS 系统。2004年年建议建设集团添置 LMS
3、系统。用于解决摩托车的振动舒适度的问题。2.2.顾客对轿车性能的需求以及顾客对轿车性能的需求以及 轿车研发中的技术目标轿车研发中的技术目标 总体考虑总体考虑购买经济型轿车的顾客购车时的心理历程购买经济型轿车的顾客购车时的心理历程-几何尺寸(大小)-造型与内饰-配置-人机工学 经济性经济性-车价及附加费用-油耗-维修网点与成本-二手车价 性能性能-安全性-驾驶乐趣 -动力性 -操纵性 -舒适性车身为主车身为主性能的内涵性能的内涵主要是六大性能:性能性能性能性能总体总体功能功能经济性经济性舒适性舒适性舒适性舒适性操纵性操纵性动力性动力性安全性安全性一级性能图一级性能图一级性能图一级性能图车身车身安
4、全性安全性动力性动力性操纵性操纵性舒适性舒适性舒适性舒适性经济性经济性主观判断的尺度主观判断的尺度目前在德国及欧洲所采用的评判尺度为十等目前在德国及欧洲所采用的评判尺度为十等 评判等级红绿灯判据 10.有训练的人无法感觉到 9.有训练的人能感觉到8.个别人感觉轻微7.所有人感觉轻微6.部分人感到受干扰 5.所有人感到受干扰4.所有人认为是问题3.所有人认为是严重问题2.几乎不能容忍1.绝对不能容忍 界限舒适性舒适性舒适性舒适性舒适性舒适性(二级二级二级二级)噪声噪声 振动振动噪声噪声噪声噪声噪声噪声(三级三级三级三级)振动振动振动振动振动振动(三级三级三级三级)振动与噪声舒适度虽然不是最主要的
5、性能，振动与噪声舒适度虽然不是最主要的性能，但往往是投诉率最高的。但往往是投诉率最高的。目前国产车（所谓具有自主产权的）与引进的车型最主要的性能差异之一就在于内噪声过高，造成投诉率位于最高之列。以A级轿车为例，引进车型的怠速噪声为 38-43 分贝，而国产车则为 43-50 分贝，甚至达 53 分贝。尤其是开空调时。汽车研发过程中的历程汽车研发过程中的历程 （安全，乐趣，舒适）（安全，乐趣，舒适）（功能与质量）（功能与质量）（四大工艺与配件）（四大工艺与配件）可制造性可制造性 可使用性可使用性 性能性能大约有关的零、部件200 外噪声内噪声振动舒适性其他有关要求:-驾驶动力学-主动安全性-被动
6、安全性-空调舒适度性价重比成本排放振动振动/噪声是整车研发目标的一个重要组成部分噪声是整车研发目标的一个重要组成部分-寻找目标冲突的合理折衷寻找目标冲突的合理折衷3.3.现今轿车的噪声振动状况现今轿车的噪声振动状况与技术要求与技术要求外噪声：外噪声：环保的要求,降低对城市的噪声干扰 国家环保标准的规定内噪声：内噪声：降低声暴露，改善疲劳保证注意力（对其它交通信号的感知能力）减小对乘员间通话的干扰度振动：振动：改善振动疲劳提高可承受度决不发生疲劳断裂现现 今今 状状 况况3.1 3.1 内噪声的现今状况内噪声的现今状况 目前尚无工业标准可循，但有共同认可的统计尺度（经济型轿车的下限参考值）：参考
7、值参考值 怠速时 37 50 dB 4545 50Km/h 55 63 dB 6060 100Km/h 63 71 dB 6868 120Km/h 65 74 dB 7272-离散带每十年向下平移 5dB,“冒尖者”日益减少3.2 3.2 振动的现今状况振动的现今状况目前现有的工业标准 GB-T 49970-96 等关于汽车平顺性的行驶试验方法要求但并不严格，况且与实际的主观驾驶感觉有相当的差距。所以目前仍依主观驾评的结果作为判断标准.主要考查以下方面:-整车 -子系统/部件所引发的振动问题。整整 车车车身有关-高速时整车不明显共振（最高车速内）-车身-弹簧的刚体模振动-怠速时座位的振动减震系
8、统有关不同波纹路况下的减振不同路坎下的减振其它子系统子系统/部件部件 驾驶盘振动 （扭转或抖动）干扰性的松动 （盖，窗等的抖动）因发动机-支承刚体模引发的晃动瞬态工况瞬态工况-因油门迅变而引起剧烈的冲击晃动-启动与关车时激发的抖动噪声判断的复杂性噪声判断的复杂性不是简单的“dBa-车速”曲线能概括一切，声平不能完全描述人受到的噪声困扰度，除此以外还应有：频率成分 噪声类型 持续时间和概率 声平的浮动 脉冲的含量 声强等等4.4.轿车振动与声学工程概要轿车振动与声学工程概要4.1 基本问题4.2 振动与声学工程的任务4.3 基本现象4.4 系统的物理模型4.5 解决问题的方法学4.1 4.1 基
9、本问题基本问题-满足日益增强的振动与声学舒适度的要求-解决与其他方面目标（经济和技术）的冲突 独立的振动与声学任务及相应的专业部门4.2 4.2 振动与声学工程的任务振动与声学工程的任务制定整车/子系统/部件的性能指标（技术方案阶段）整车的振动与声学“调校”以及测试与评价（设计/验证阶段）排除噪声及振动干扰（投产启动阶段与售后服务）通过对振源，传输路径和系统性能分析，对问题进行确诊并提出排除方法4.3 4.3 基本现象基本现象2.3.1 基本的振动现象2.3.2 基本的噪声现象2.3.3 基本的激振源 2.3.4 基本的传播方式4.3.1 4.3.1 基本的振动现象基本的振动现象-低频段低频段
10、 现象现象 原因原因 频率范围频率范围(Hz)(Hz)-车体（俯仰/摇摆/浮动）车身-弹簧的刚体模 1 7 发动机晃动 发动机-支承的刚体模 5 30 车轮浮动 一阶共振 12 18 车身共振 一阶整体弹性模 20 30 驾驶盘摆抖 共振 25 40低频振动种种低频振动种种 l l l l 0 5 10 15 20 频率(Hz)（车轮一阶）l l 70 140 车速(Km/h)基本振动现象基本振动现象（中频段）（中频段）现象现象 原因原因 频率范围频率范围(Hz)(Hz)-车厢共鸣 一阶空腔共振 60 90 曲轴共振 扭转共振 180 700 发动机/变速箱共振 一阶弯曲共振 200-300
11、4.3.2 4.3.2 基本的噪声现象基本的噪声现象 -发动机为主因发动机为主因现象现象 阶次阶次频率（频率（Hz)Hz)-发动机的燃烧及惯性力引发 (4缸)2 20 200 (6缸)3 30 300 (8缸)1.5 15 150 发动机/变速箱弯曲共振 2/3 150-300 基本的噪声现象基本的噪声现象-其它原因其它原因 现象现象 阶次阶次频率（频率（Hz)Hz)-风声（气动噪声）轮胎/路面滚动 1，35-100 4.3.3 4.3.3 基本的激振源基本的激振源 激励源激励源 阶次阶次 频率范围频率范围(Hz)(Hz)-车轮动不平衡 1 5 35 3 15 100 发动机(4缸)2 20
12、200 (6缸)3 30 300 (8缸)1.5 15 150 齿轮啮合 925 50 2500 轮胎纹 30100 125 20004.3.4 4.3.4 基本的传播方式基本的传播方式空气声空气声 通过声辐射进入车厢内，被人感知。固体声固体声（大约在500Hz以下）通过与车身的连 接点引发车身振动，经辐射被人感知。产生内噪声的两种传播方式产生内噪声的两种传播方式-以发动机做为激振源为例以发动机做为激振源为例空气声空气声固体声固体声发动机/变速箱系统空气声声洞声学空腔钣金件悬置/连接件固体声4.4 4.4 系统的物理模型系统的物理模型 输入输入 输出输出内燃机空气声/固体声 上百种噪声 振动现
13、象旋转的车轮的振动各种工作状态（包括错误驾驶）系统系统-复杂的分布参数系统-大量的非线性阻尼-相当多的力学及力声放大器力学系统力学系统（具有若干力学力学放大器）力声系统力声系统（具有若干力声力声放大器）输入输入输出输出激振激振 振动振动/噪声噪声系统系统声激励声激励 固体声空气声5.5.整车的振动和声学问题整车的振动和声学问题5.1 新品的目标大纲5.2 整车的声学性能目标5.3 整车的振动性能目标5.2 5.2 整车的声学性能的目标整车的声学性能的目标工况工况 衡量值衡量值测试条件测试条件挡位挡位-慢加速 声压级/车速及频谱 路测 最高挡滑行/风声 声压级/车速 路测 空挡风声 声压级及频谱
14、 风洞 开车怠速 声压级及频谱 消声室 空挡*测点为司机，副司机及右后座成员的临窗耳 *慢加速至 200Km/h*滑行/风声测量时的参考速度为150Km/h5.3 5.3 整车的振动性能的目标整车的振动性能的目标一阶整车共振频率一阶整车共振频率 一阶弯曲共振频率 一阶扭转共振频率座椅加速度座椅加速度 怠速时的座椅加速度（5-30Hz)其它其它 没有明显的局部共振以及由此引发的其它整车共振6.6.子系统及部件的振动与声学问题子系统及部件的振动与声学问题6.1 车身的振动与声学性能的规定6.2 发动机的振动与声学性能的规定6.3 传动系的振动与声学性能的规定6.4 行走系的振动与声学性能的规定6.
15、5 部件的振动与声学性能的规定6.1 6.1 车身的振动与声学性能的规定车身的振动与声学性能的规定a.a.白车身的振动性能的规定白车身的振动性能的规定 -动刚度 一阶整体弯曲共振频率 一阶整体扭转共振频率 -静刚度 其他振动特性规定其他振动特性规定 -重要钣件的弯曲共振频率不在空腔谐振区内（60-85 Hz）-重要支承点处（车身一侧）的驱动点阻抗b.b.在整车条件下在整车条件下 -内噪声（在消声风洞内关车条件下测试）风噪 车底风声-其他声学特性 隔声（在混响室内关车的条件下测试）空腔阻尼系数(0.1)6.2 6.2 发动机的振动与声学性能规定发动机的振动与声学性能规定a.a.单独发动机单独发动
16、机 -噪声 慢加速 声压级/转数 自由场消声室 -振动 曲轴的弯曲，扭转及轴向共振 附件的共振b.b.在整车条件下在整车条件下 -内噪声（空挡）慢加速 声压级/转数 消声室 -振动 转数的不稳定性（不同的负荷条件下）6.5 6.5 部件的振动与声学问题部件的振动与声学问题 变速箱振动与声学规定变速箱振动与声学规定声学性能的规定声学性能的规定 物理量物理量 指指 标标 测量位置测量位置 -内噪声 总噪声与变速箱噪声之差 车内 固体声 变速箱支承处的加速度值 变速箱 传输率 变速箱支承两侧加速度之比 变速箱 7.7.解决振动与声学问题的方法学解决振动与声学问题的方法学7.1 噪声与振动问题的特殊性
17、7.2 解决问题的方法学7.3 实验技术7.4 计算模拟7.1 7.1 噪声与振动问题的特殊性噪声与振动问题的特殊性离散性：离散性：轿车的主要性能（加速，最大速度，油耗等）的离散度约 0.5-3.0%;而内噪声的离散度可达数倍，即 10 分贝。不确定性不确定性:部件的噪声降低或升高带给整车的贡献有时却是相反的 解决措施的有效性常常因车而异紧迫性紧迫性投产前，问题集中暴露，而且自由度不大投产后，往往成为投诉焦点之一 7.2 7.2 解决振动与声学问题的基本思路和方法解决振动与声学问题的基本思路和方法信号分析问题识别问题识别结构动力学分析模型识别模型识别结构动力学修正结构优化结构优化信号处理特征分
18、析工作振型分析声辐射图激振(阶次和幅度值信号特征谐振模态分析有限元分析实验/解析模型特征频率振型模态阻尼薄弱环节分析灵敏度分析基于实验模态的结构修正FEM模型的优化系统综合问题获解问题获解?是是终止终止现象学因果学黑黑白白实实验验验验证证否否7.3 7.3 实验技术实验技术7.3.1 实验的基本任务7.3.2 确定实验室方案的要素7.3.3 振动实验室7.3.4 声学试验室7.3.5 其它实验室7.3.6 测量与分析技术做好实验的三大因素做好实验的三大因素一是必要的实验台架一是必要的实验台架二是分析工具（相应的二是分析工具（相应的CAECAE软件）软件）三是实验工程师的经验，而他所应具备的知识
19、结构三是实验工程师的经验，而他所应具备的知识结构 -振动与声学 -结构动力学 -实验与测量/分析技术 -汽车工程学 -路试驾评的能力7.3.1 7.3.1 实验的基本任务实验的基本任务-被检对象，测量值和实验台的基本关系被检对象，测量值和实验台的基本关系-被检对象被检对象 测量值测量值 实验台实验台整车整车 部件部件材料材料内噪声固体声外噪声声功率声阻尼声吸收声泄漏自由场自由场半自由场半自由场混响室混响室7.3.2 7.3.2 确定实验室方案的要素确定实验室方案的要素总成总成/部件与振动部件与振动/声学现象的相关关系声学现象的相关关系振动振动/声学现象与实验台架的相关关系声学现象与实验台架的相
20、关关系实验台架与测量分析技术的相关关系实验台架与测量分析技术的相关关系Ca.60100Ca.200项目工程师项目工程师实实验验工工程程师师设设计计师师台架部件现象台架测量/分析不同任务需要相应的专家不同任务需要相应的专家7.3.6 7.3.6 测量与分析技术测量与分析技术工作状态分析工作状态分析/信号分析信号分析系统识别系统识别/模态分析模态分析车身车身/整车整车发动机发动机/传动系传动系完整的完整的知识体系知识体系信号分析信号分析 测试方法测试方法 优优 点点 缺缺 点点 -3-D -综观整体 -只是定性 -可确认突出的阶 -及相应的转速区 -可辨认发动机与变速箱的相互作用 Averaged
21、 -可准确确定阶 -幅值取决于所选转速 Order -可知与相邻阶的相对幅值 -区间 Spectrum -只是定性 -无转速信息 Peak -准确的最大值 -无平均效果 Hold -定量 -无转速信息Order -认定阶准确地与转速的关系 -无法分辨发动机变速箱的相互作用3D-3D-图图3 D 图图传递函数的分析传递函数的分析 测试方法测试方法 优优 点点 缺缺 点点 -FRF FRF -加速度/力 -了解机械阻抗 -加速度/加速度 -了解传输率7.4 7.4 计算模拟计算模拟车内空腔谐振排气管的振动（弯曲与扭转）动力系的部分结构的特征振动发动机/变速箱总成万向轴后桥曲轴扭转振动（带动态吸振器
22、）整个动力系的特征振动（弯曲与扭转）轴系的特征振动实验与计算混合模拟实验与计算混合模拟动力系计算发动机激振力建立有限元模型，传递函数矩阵由上计算振动矢量测量支承的刚度测量车身输入力测量车身的力声传递函数综合（力声传递函数*传递函数矩阵*激振力）-声响应车身8.8.解决噪声与振动问题的案例解决噪声与振动问题的案例8.1 8.1 诊断方法诊断方法实验方法实验方法对象对象 台架台架 测量值测量值/目的目的-分离法分离法 整车 转鼓声压级（确定干扰源）逐个分离连接支承 全部分离后逐个连接支承传递函数法传递函数法 白车身 振动台 支承点的阻抗测量全息术分析全息术分析 外覆件/白车身 振动台 全息图（确定
23、共振频率/振型）声强法声强法 清空的整车 转鼓 声强（声能的产生/吸收）声穿透率法声穿透率法 特定的钣件 混响室 声压级8.2 8.2 解决措施解决措施主动主动减小激振调整系统的模态（比如：共振频率）被动被动阻塞传输路径（阻振，阻声及吸声）减缓共振（交错不开）减小响应（动态吸振器）调整系统的模态调整系统的模态n目的目的：将共振频率移出激振频率范围n实施方法实施方法：原理性的增大动刚度动态吸振器动态吸振器目的：目的：将不可避免的共振能量转移到动态吸振器实施方法：实施方法：将动态吸振器的主共振调谐到减振目标的 共振频率上去8.3 8.3 若干案例若干案例解决高速行驶时车身共振问题解决高速行驶时车身
24、共振问题解决敞篷车的扭转共振问题解决敞篷车的扭转共振问题解决排气管引发的噪声尖峰的问题解决排气管引发的噪声尖峰的问题解决解决 100 100 公里公里/小时后座达小时后座达 90 dBa 90 dBa 的问题的问题解决发动机解决发动机/变速箱共振引发变速箱壳体断裂变速箱共振引发变速箱壳体断裂 以及高内噪声的问题以及高内噪声的问题 结束语结束语研究并设定NVH 的目标实验室的规划和建设需要专门的部门和人才实验台架测量设备相应的分析软件重视专业人才培养和较长期的经验积累 总而言之，总而言之，总而言之，总而言之，重视产品性能是提高性价比的最主要环节，噪声与振动问题已经成为自主开发车的软肋，也到了非解决不可的时候了。如果有了相应的投入和适当的人才问题一定是能够解决的。谢 谢！