整车NVH整体开发流程

掩盖性燃烧噪声的消除将纯电动汽车发展的重点转移到其他噪声源上。针对和设计这些干扰噪声的新方法允许以比以往任何时候都更不受限制的方式组成内部噪声。FEV已经建立了一个能够塑造“沉默之声”的开发过程。

关于新型纯电动汽车(BEV)的声学效果，客户有一个主要的期望:安静。然而，负责噪声、振动和粗糙度(NVH)的工程师意识到，车辆内的绝对静音是不可能实现的。我们的听觉是一个过于敏感的测量仪器。那么，怎样才能创造出顾客所期待的“沉默之声”呢?

对于消费者来说，内燃机的声音是熟悉的，甚至是充满感情的，尤其是当发动机在特定的驾驶动作中发出其特有的声音时。它的消失大大降低了BEV机舱内的噪音水平。因此，新的声音变得可以听到，不熟悉的客户，并认为在他们的声学剖面不愉快。例如，在城市地区快速充电时产生外部噪音的风扇或制冷剂压缩机，在没有明显原因的情况下启动，以调节电池温度。在最坏的情况下，客户可能会怀疑是技术缺陷。

在声学发展中，许多这些组件都受到了更严格的审查，从而建立了噪声隔离、模拟和NVH目标级联的新概念。同时，开发周期的缩短要求加强虚拟声学开发。成功地限制令人不快的噪音为制造商提供了一个真正的机会。为他们的汽车塑造“静音”成为可能，既能取悦现有客户，又能吸引新客户。

NVH开发过程

一般来说，与NVH相关的车辆开发必须整合到一个整体的开发过程中，以确保架构、底盘等各种活动之间的协调。为此，FEV已经建立了一个车辆开发过程，可以很容易地与客户同步。图1说明了不同的开发阶段及其里程碑。

图1   NVH FEV开发过程

详细的NVH开发活动定义了相关的噪声现象，如风、滚动、动力系统和辅助噪声。现有的工具和方法已经适应于解释bev的频率含量和现象的改变。下面将探讨混合仿真的第一种可能性，它将在整个开发过程中支持NVH工程。随后，将提出具体的方法来理解和限制纯电动汽车开发中的典型NVH现象，最终实现车辆的主动声音设计。

混合NVH仿真

在开发项目中，需要在短周期内提供敏捷声学评估，以评估新概念和当前项目状态。特别是在早期概念阶段，会出现以下挑战:

——复杂的传输路径和缺失的模型:激励到舱内机载声音的传输只能在有限的频率范围内进行有意义的模拟。此外，通常缺乏供应商组件的仿真模型。

——激励源描述:将声源的运行力应用于虚拟车辆模型。在试验台和声源之间测量的界面力通常不合适。界面力在试验台组件的共振处表现出显著的力放大，因此不适用于车辆模拟或部件目标设置。

一种灵活结合仿真模型和实验模型的混合方法有助于克服这些挑战[1]。定制软件提供了必要的时间效率[2]。子结构允许耦合各种模型，使整个车辆的传输路径的仿真。混合模型被创建，能够更新每个开发阶段。基于组件的传输路径分析(TPA)要求物理上精确的源描述。这使得即使在早期开发阶段也可以在虚拟声学原型上模拟内部噪声。

子结构化

构件模型可以来源于仿真(多体仿真和有限元法)或测试(频响函数法)。设计变更可以通过仿真快速评估。复杂结构最好通过实验建模(例如在基准车辆上)。

子结构通过在组件A和组件B的界面处设置两个边界条件来描述组件A和组件B的虚拟耦合。兼容性:A和B之间的界面振动必须匹配。平衡:作用在A和B上的界面力大小相等，方向相反(相交原理)。

图2在电动制冷剂压缩机(ERC)上说明了这一点[1]。所研究的概念涉及前副车架的双重解耦。实验采用刚体模型、橡胶隔振器模型和中间载体模型进行了有限元模拟。前副车架到驾驶员耳朵的传递函数(FRF)在前代车上进行了实验测定。混合仿真结果如图2所示。仿真结果在装配概念(骡子车)上得到验证。在300hz以上的骡子上进行测量变得不切实际(由于强去耦，有噪声的频响和差的相干性)。即使在这个频率范围内，混合模拟也提供了有效的见解，因为基于测试的子结构可以以良好的信噪比进行测量。

图2   压缩机隔离概念示意图(上)，用测量验证模拟结果(下)

基于组件的TPA和阻塞力

利用基于组件的TPA，可以对虚拟汽车模型上的声级进行预测。阻挡力作为震源的物理精确模型。可直接在车内或在部件试验台上进行测定[3]。可以将其转移到虚拟车辆模型中，如式1所示:

NVH目标设定

开发过程从车辆的市场定位开始。整个车辆的NVH目标就是基于此，例如驾驶员耳中的内部噪音。其基础是来自所有细分市场车辆基准研究的广泛FEV数据库。

从车辆目标出发，将级联过程应用于组件目标。为了实现这一目标，将座舱噪声分为NVH现象(发动机和逆变器指令、轮胎和风噪声、辅助部件等)及其传播路径(机载和结构传播的声音)。随后，推导出元件目标，例如图3中的调性电动机噪声。

图3   c段(灰色 区域)滚动噪声和风噪声的散射带和调性电动机噪声可检测性的推导极限(部分示意图)

在此基础上，推导了传输路径和元件激励的目标。对于激励定位，传统上使用安装点的振动(基于基准数据)。然而，对于新概念，缺乏这样的参考数据。此外，对于非解耦组件，例如刚性安装的舵机，这种目标设置逻辑在物理上是不正确的。

根据试验台或车辆上的连接方式不同，共振会发生变化，从而导致同一源激励产生不同的振动水平。基于组件的TPA的数量与连接无关，因此更适合。它们也可以在供应商的组件测试台上确定。为了将内部目标(Eq. 1中的p 3B)级联到多个自由度的力-目标曲线(f 2bl)上，所谓的解空间方法是FEV中很有前途的方法。图4说明了这样一个过程。传递函数(y3a2b)是已知的测量或混合模拟。在蒙特卡罗模拟中模拟了不同大小的阻挡力，得到了达到内部噪声目标(绿点)或违反该目标(红点)的力级别。

这允许设置力的目标曲线(蓝色圆圈)。

图4   遮挡力NVH目标设置解空间工具(截图)[4]

高频动力系统噪声

在纯电动汽车中，高频动力系统噪声是最关键的NVH问题之一。除了众所周知的齿轮箱呜呜声，它们是由电机的电磁谐波力引起的。当高振幅的力阶激发结构的共振频率时，会产生强烈的振动和噪声。

在图5所示的示例中，3000 rpm时的24阶电磁力与电机结构的“呼吸模式”相吻合。该力受气隙中电磁场谐波的影响。这些可以通过优化逆变器中的控制策略来控制。因此，有可能显著降低临界电磁力阶数。

图5   高频电机阶次谐波电流注入降磁

图5给出了基于ID3型永磁同步电机简化模型的多物理场仿真结果。首先，在恒转矩为100 Nm时进行了多体仿真(MBS)。地面加速度被用作NVH性能指标。关键的24阶可以通过在逆变器控制(谐波电流注入)中操纵-23阶和+25阶来部分消除。MBS结果表明，在4800 Hz时，振动改善了约8 dB。

动力系统高频噪音的另一个原因是橡胶支架的动态变硬。通常，从500到1000赫兹，在安装中发生连续共振，导致刚度增加。刚度达到静态刚度的5到20倍并不罕见。然后，高频驱动振动不再与车身充分分离，并被认为是对内部的干扰。在[1]中，提出了一种简单的方法来检测高达2.5 kHz的橡胶支座的动态刚度。传统的液压试验机往往不能覆盖这个高频范围。图6说明了实验设置和三种不同坐架的刚度。由于动态强化效应，静态最硬的安装可能在500至700 Hz的范围内动态“更软”，从而在该频率范围内提供更好的去耦。

图6  三个安装架:实验装置(左);各种橡胶支座的动态刚度(右)

空气声音和流动噪音

风扇的噪音可以被认为是不愉快的，特别是当车辆处于静止状态时。风扇的结构传递的声音可以使用混合模拟来设计，如上所述。然而，占主导地位的也是气流噪声，这是由风扇叶片处的空气湍流引起的。为此，三维CFD模拟可以模拟风机叶片周围的瞬态流动。由此，可以使用Lighthill类比提取声源并用于声学模拟。图7以抽风机为例说明了这一过程。

图7  风机流动噪声仿真:瞬态CFD仿真(a)， 440 Hz声源(b)，仿真与实验对比(c)

实验上，来自流动噪声或壳体振动的机载声源也可以建模，如[1]所示，以ERC壳体辐射为例。

车内异响

一种已知的声学现象，吱吱声和嘎嘎声(S&R)，由于缺乏掩掩噪声，在纯电动汽车中变得更加重要。根据j.d.p ower的一项研究，超过一半的客户投诉是由于客舱的音质不足，其中许多是由于S&R[5]。

同时，S&R是一个高度短暂的事件，对老化很敏感，灰尘进入、温度/湿度或制造质量。因此，S&R的模拟可能性目前是有限的。这与较短的开发时间形成了对比。在过去，以前项目的经验是至关重要的指导方针。然而，随着向纯电动汽车的转变和高成本压力，这些经验往往只能部分转移。

因此，对物理原型和组件测试进行有效的评估比以往任何时候都更加重要。FEV采用了一种经过验证的方法，利用近场麦克风进行定位和随后的物化。这可以在短时间内获得有价值的错误定位信息，随后，有助于根据客观数据优化主观音质的概念决策。

《寂静之声》的作曲

成功地限制了纯电动汽车中令人不安的噪音，从而创造了“寂静之声”，从而创造了一种情感化的驾驶体验，并体现了品牌的身份。在过去，燃烧和排气噪声已经被合成声音补偿和丰富。现有的音响系统或车身或挡风玻璃上的附加执行器被用作扬声器。除了情感化，声音设计的主要目标是品牌、安全和和谐[6]。

品牌和安全主要适用于外部噪音，由于法律规定，它必须满足一定的要求，但也有设计灵活性，以创造一个声学品牌识别。内部噪声的协调可以通过在现有电气元件的噪声中加入合成声音分量来实现，从而降低音调。

制作车辆声音的一个挑战是，声音工作室的各种想法和创造基本声音组件的可能性与在现实驾驶情况下对这些组件的感知之间存在时间差。在这种情况下，FEV使用自主开发的软件，称为模块化。ASD，在创造好想法后快速实现驾驶体验[7]。

通过创新技术声音的物理设计方法，并将其与声音设计相结合，在整个车辆开发过程中塑造“无声之声”。

参考文献略。