深度混合动力汽车NVH问题的研究进展

摘要：随着科技的发展，混动汽车已被公认为是21世纪世界汽车工业改造和发展的主要方向。混合动力汽车具有新的部件、动力系统，传动系统及运行模式，虽然其降低了传统内燃机的掩蔽噪声，但因其整车结构和相关系统的变化，致使整车在振动噪声方面出现了一系列的新问题。因此针对性地列举了混合动力汽车存在的NVH问题，分析了车内振动、噪声的产生原因及传递路径，提出了振动噪声的控制方法，最后对混合动力汽车NVH问题的解决技术作出了展望。

关键词：NVH性能；振动噪声源；传递路径；控制对策

1引言

混合动力汽车因其节油环保的优势现如今已成为各大汽车公司研究开发的热点m。在混合动力汽车这个市场中，静也越来越激烈，如日本丰田的Prius和本田公司的In_sight两种HEv就已小批量投放市场，并取得不错的销量。不同品牌混合动力车的使用性能和安全性能之间的差别越来越小。相比之下，汽车的舒适性就常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素之』。作为用户亲身感受的汽车舒适性、噪声控制的主要评价参数NvH已成为评价汽车性能的重要指标，其重要性等同于安全性、燃油经济陛和排放等性能。而混合动力汽车的动力系统，传动系统及其运行模式都作了改变，致使整车的振动噪声出现了一系列的新问题，因此提高我国混合动力汽车NvH控制水平就成为新的核心技术竞争力。希望为国内混合动力汽车工程领域开展NvH工作提供必要的信息，启发与借鉴。

2 混合动力汽车NVH问题的研究现状

2．1 混合动力汽车NVH问题国内外研究现状

噪声污染为三大污染之一，城市噪声的70％来源于交通噪声阀；而汽车噪声又占交通噪声的主要部分；因此在汽车开发中，企业把振动噪声问题作为一项重要的性能指标来进行研究。汽车NVH(Noise，VibmtionaIldHarshness，NVH)是指在汽车驾驶途中，驾乘人员直接感受到的噪声(Noise)、振动(vibmti帆闹声振粗糙度(Harsllness)，三者是同时出现且密不可分的，因此常把它们放在一起进行研究同。而混合动力汽车由于增加了新的部件，动力系统，传动系统以及改变后的运行模式都有所改变，虽然其降低了传统内燃机的掩蔽噪声，但整车的振动噪声出现了一系列的新问题。提高车辆噪声水平已成为混合动力汽车新的竞争焦点和技术发展方向。

长期以来，有关发达国家对汽车噪声控制问题给予了高度重视，积累了较为丰富的理论与技术研究成果和解决问题的工程实践经验f7】。目前，国外大型汽车公司有近20％的费用投人在汽车NvH上嗣。以美国的通用汽车公司为例，设计人员中有1，3～l，4、cAE人员中有1／3，试验人员中有1／2与NvH有关。在此方面，日本做得最好，美国也不错，欧洲次之。

目前，国内的NvH的研究水平经过十余年的发展已经有了一定的提高。如上海通用／泛亚汽车技术中心也已有一定的开发能力；一汽的NVH试验能力较强。其中噪声试验室是按国际标准所建，包括：整车噪声试验室；动力总成噪声试验室；特别强调的是，作为自主研发新能源汽车的吉利在NvH方面做出了较大的努力，并已初具规模。其拥有常规的振动噪声测试设备，可以完成常规的试验工作；成立了NvH专门小组；在cAE方面设置NvH分析人员；由此可见，国内汽车企业正日益重视汽车的NvH技术。但我国NVH总体水平和国外相比还是有一定的距离。比如空调开时车辆怠速的噪声值，日本、北美车辆为(43。45)dB，而我国车辆则达到50dB。

2．2 混合动力汽车NVH问题的现象及其性能

混合动力汽车在不同的车速，会出现不同的NvH问题，大致可以分为如下几种情况：

(1)在发动机怠速时，汽车会出现：点火噪声，怠速噪声．空调噪声，座椅抖；

(2)当车速在(20～50)km／h，汽车会出现：低速轰鸣，冲击现象，离合器抖动，齿轮噪声；(3)当车速在(50—80)km／h，汽车会出现：不平顺，制动抖动，轮胎噪声，排气噪声；

(4)当车速在(80一120)km／h，汽车会出现：高速风噪，发动机噪声，转向盘振动，粗糙度叫。

由此可见，在不同车速时，汽车会表现出不同的NvH现象，直接影响到驾乘人员的主观感受。

要解决混合动力汽车的NvH问题，首先要分析其NvH性能。混合动力汽车是利用发动机和电动机两种动力驱动源来驱动的环保车，由此引起整车结构和动力系统、辅助系统以及车身和底盘系统的变化，以满足多种能源驱动汽车的各种要求。其增加了传统内燃机汽车没有的其它零部件，如：动力分配装置、电动机、能量转换装置以及大质量蓄电池等(12)。总的来说，混合动力汽车与传统内燃机动力汽车相比，混合动力汽车的结构布置更加复杂化。因此混合动力车的NvH性能也较为复杂。混合动力车NVH的性能模型，如图l所示。

汽车的NVH性能作为同于安全性、燃油经济性和排放等性能的重要性能之一，在研发过程中如何进行整车NVH性能的设计与控制是值得探讨的重要课题。

2．3 混合动力汽车NVH问题的原因

2．3．1混合动力汽车振动噪声源

NVH分析主要是研究车辆的振动和噪声对整车性能和舒适性的影响。分析混合动力汽车的振动噪声主要来源于三个部分：动力总成，风激励，路面激励旧1。动力总成中的噪声源主要包括以下几个方面：

(1)发动机本体，油底壳，进气歧管等壳体在发动机运转时辐射出的噪声；发动机曲轴不平衡运转时的振动。

(2)变速器齿轮的振动与噪声。当行驶在电动机模式下时自变速箱齿轮的高频噪音会明显。

(3)进排气噪声。

(4)悬置的隔振性能导致车体振动噪声。混合动力车中的电机以及与减速器的集成体的悬置系统应采用没有副车架的单级减振结构，以利轻量化；

(5)悬架：结构共振引起车体产生噪声，传动系统扭转振动引起车体产生噪声。

风激励：汽车在高速运动时，车身和附件与空气相对运动而产生对车内传递的噪声。噪声与车速的关系，如图2所示。

轮胎路面：车辆行驶时，轮胎路面摩擦噪声、泵气噪声等，轮胎不平衡，路面引起的振动。吉利混合动力车就利用轮毂电机的电磁噪声进行轮胎花纹噪声的混合主动消声控制。

2．3．2混合动力汽车振动噪声的传递路径

解决混合动力汽车的NVH问题还应分析其传递路径，从而切断振动噪声传递的路径。混合动力汽车的噪声与振动现象往往是由多个激励，经由不同的传递路径抵达目标位置后叠加而成的。混合动力汽车的振动传递路径：车辆的振动传递通常是通过各种减振元件、隔振系统传递到车内与人体常接触的部位，比如转向盘、变速杆、座椅和地板等旧。噪声传递路径：噪声传递通常是通过车辆各密封处，比如开启件与车体，各通孔，空腔等的传递；激励源对板件的激励导致结构振动，向车内辐射出噪声等。动力总成振动噪声传递(结构)，如图3所示。

动力总成噪声传递(空气)：动力总成造成的辐射噪声，进气噪声，排气噪声。

3 混合动力汽车NVH问题的控制对策

混合动力汽车有几种行驶模式，纯电动模式，发动机起动模式以及混动模式。因模式不同，NVH问题也不同。对应的混合动力汽车的NVH控制对策也要做出相应的变化。目前，混合动力汽车的降噪措施主要分为两种：主动降噪和被动降噪。主动降噪包括：(1)工艺以及装配质量的提高；(2)优化发动机设计；(3)优化悬挂系统；(4)优化车身结构。如福特Fusion混合动力车与丰田“皇冠混合动力车”都采用了采用主动噪音消除技术，利用3个麦克风检测车内的沉闷噪音，使扬声器与噪音反相位振动，从而将静音性提高了(5～8)dB左右。被动降噪包括：(1)吸音、吸振；(2)密封、隔音、隔振；(3)阻尼、减尼、改变激震形态；(4)加强、改变激震频率。例如：前地板位置温度高，振动大，车在行走过程地板会产生扭变，采用树脂约束层阻尼板，可以克服扭变产生，起到减少振动及噪音的效果110|。这就是被动降噪。为了减少混合动力汽车的NvH，提出以下的总体控制策略：

(1)控制振动噪声源；噪声源控制是提高汽车NVH性能最根本、最直接的措施，如降低发动机噪声、改善发动机悬置、改善进排气系统等。其中降低发动机的振动与噪声是最复杂的。而在遮蔽悬置结构的振动与噪声时，混合动力车中的电机以及与减速器的集成体的悬置系统应采用没有副车架的单级减振结构，以利轻量化。这样可以有效控制悬置结构的振动与噪声。(2)切断振动噪声传递的路径；当难以控制噪声源时，需要在噪声的传播途径中采取吸声、隔声、消声、减振及隔振等措施，如增加屏蔽件、改善整车密封性、调整内饰件等。混合动力汽车振动源和噪声源分散布置的特点导致对车身结构的局部阻抗特性提出了新的要求，可以合理分布车身装饰材料、优化材料的配置，并且合理布置隔音、隔振材料，以此来阻断生源的有效传播。如在车厢的密封结构上下功夫，尤其是前围板和地板的密封隔音性能。

(3)改善振动特性，避免共振；优化各部件模态，避免部件之间形成共振。在系统设计时，一定要使各结构的共振频率都不能在主要激振频率范围内。而发动机的主要激振都在低频，所以发动机的结构件都是固有频率越高越好，至少高于发动机最高转速的二阶频。再者应尽量避免采用大面积的薄壁。

4 混合动力汽车NVH问题的展望

在混合动力车上增加电动机和不同的行驶模式为NVH工程师带来了新的挑战。要想彻底解决NVH问题，则混合动力车的NvH分析技术不应停滞在振动噪声改进的水平上，而应进行早期的NvH设计，其减振降噪的作用及效果良好，费用更低廉。NvH设计一费用曲线，如图4所示。

应将NVH设计朝着“主动设计”的方向发展，将NVH设计融入整车的设计过程，而不是在车型上市后，用户抱怨汽车性能后再去解决。因此应进行早期NVH设计，逐步能够在汽车设计的时候，为汽车的振动陛能进行规划设计，从而将NvH分析技术贯穿在汽车设计的整个过程中，这就是NvH设计思想的主要部分。汽车振动的NvH设计有很多方法，如国际上NvH开发进程大致分成三个阶段旧：第一是把振动和噪声降低的原始阶段；第二是声品质提升阶段；第三是声音的DNA阶段，进入这个层次也就是进入了世界一流汽车企业的行列。混合动力标准的NvH程序是先解决发动机问题，然后是传动系、发动机悬置系统，最后是整车。

综上NvH开发的总体过程可分为以下几个步骤进行：(1)制订混合动力车整车振动噪声的设计指标；(2)混合动力车整车结构模态分析与频率规划；(3)针对频率分配进行混合动力车主要部件(如车身等)的设计开发，并进行计算模态分析；(4)CAE分析、评审混合动力车的结构及性能，确定产品是否达到设计要求，改正错误，此时改进措施所产生的效果很小，但费用是相当昂贵。

5 结束语

随着科学技术的进步和汽车用户对车辆要求的不断提高，汽车振动噪声NvH性能已成为汽车市场竞争的重要方面和汽车产品未来的发展趋势。NvH开发是一项必须与混合动力汽车开发流程紧密相连的复杂的系统性工程，它要求在混合动力汽车产品设计的各个阶段运用NVH设计和控制方法进行大量的工作。论文提出了混动汽车振动和噪声的结构与性能特点，逐步分析其振动噪声源及传递路，并给出了其控制方法。研究解决此类问题时，应先通过主客观评价确定客户要求、借助测量仪器和技术知识正确诊断故障和识别噪声源，以及建立匹配法和指标控制来降低振动噪声。研究有关混合动力车噪声控制的各种方法，对提高国产车的形象与国际竞争力具有重要的现实意义。

作者：岳明明，周一丹，马改

作者单位：(南通大学机械工程学院，江苏南通200093)

来源：机械设计与制造