汽车NVH设计仿真之传递函数分析、优化方法及实战

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：NVH（ Noise、Vibration、Harshness ）是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接的。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和汽车的NVH问题有关系，而各大汽车企业有近20%的研发费用花费在解决汽车的NVH问题上。在汽车NVH开发过程中，仿真是其中非常重要的一部分，可以在前期进行性能分析和改善，在后期可提供方向指导和建议参考。

这是因为NVH对顾客非常重要。其中NVH的好坏是顾客购买汽车的一个非常重要的因素；NVH还影响顾客的满意度，据统计在所有顾客不满足的问题中，约有1/3是与NVH有关；NVH甚至影响到售后服务：约1/5的售后服务与NVH有关。当前NVH涉及的范围面非常广：在所有动态性能领域（NVH、碰撞安全、操稳、经济性等）中，NVH是涉及面最广的领域，包括车身、电机、变速器等动力系统、底盘及悬架、内饰系统、电子电器……

图1 CAE在NVH开发中的地位

一、NVH仿真的主要内容

NVH仿真的主要阶段包括竞品车NVH分析、目标定义（根据竞品车和相近车型）、开发车型NVH分析及优化（包括开发的前期各阶段）、开发车型的试验相关性及模型标定和实车问题跟踪及解决方案等。以下是NVH仿真的主要内容：

1、结构NVH分析包括以下分析（不限于）

（1）车身骨架系统

车身模态分析、车身弯曲刚度分析、车身扭转刚度分析、车身接附点动刚度分析（包括底盘安装点及附件安装点）、车身钣金灵敏度分析、车身阻尼片布置分析、车身局部安装点静刚度分析（如座椅及安全带卷收器）等；

（2）底盘系统

转向系统模态分析、动力传动系统模态分析、传动系统扭振分析、悬置系统模态分析、关键支架及系统模态分析等；

（3）Trimmed Body级

TB模态分析、GPA分析、PACA分析、FRF分析、声腔模态分析、NTF分析、VTF分析、IPI分析（一般放在车身里分析，可在早期进行优化分析）；

（4）整车级

整车模态分析、整车TPA分析、整车路噪分析（如怠速、加速分析）、动力总成质心灵敏度分析、整车Spindle灵敏度分析、传动轴不平衡分析、轮胎不平衡分析、整车Brake Shudder分析、整车Impact分析、整车冷却风扇不平衡分析等；

2、声学NVH分析包括以下分析（不限于）

（1）子系统：前围、前风挡、侧窗等各种隔声量分析

（2）整车级：风噪、动力总成、路噪及各种吸隔声材料的优化等。

3、异响NVH分析包括以下分析（不限于）

（1）仪表板、副仪表、门护板及内外饰件等；

（2）金属板件、各种线束等；

（3）制动异响、传动异响等。

图2 NVH仿真的主要内容

二、NVH的基本概念

NVH——Noise，Vibration，Harshness

Noise——噪声

主要分析频率范围：20-5000Hz
通过频率特性、幅值和品质来评价

Vibration——振动

主要分析频率范围：0.5-50Hz
通过频率特性、幅值和方向来评价

Harshness——

翻译过来有如粗糙度、平顺性等；？
主要指的是由于振动噪声的综合影响导致的粗糙、刺耳和不和谐的感觉
主要与路面的激励有关
研究频率范围：低频

三、NVH的基本理论

1、描述一个物体运动的基本量可以表示如下形式：

2、不同的表达形式其幅值不同

图3不同振动幅值表达形式

3、单自由度无阻尼系统

单自由度系统无阻尼自由振动运动微分方程：

4、单自由度阻尼系统

5、传递函数的基本概念

传递函数是指输出（响应）对输入（激励）的灵敏程度，也称为灵敏度

（1）车身灵敏度表征的是车身在外部激励（振动、噪声）条件下产生响应的程度；

（2）对一个线性系统来说，灵敏度与输入和输出没有关系；

（3）但是对一个非线性系统，灵敏度不仅与系统有关，还与输入和输出有关；

（4）在工程上，可以把车身近似看成一个线性系统，即从这层意义讲，灵敏度反应了车身系统的特征。

（5）传递函数在整车中的理解

图4 传递函数在整车中理解

6、车身在NVH中的地位和作用

车身是一辆车的载体，其振动特性对整车的NVH性能影响较大，特别是低频现象，职Idling振动、Shake、轰鸣等等，如果在开发段不能对车身骨架进行很好的设计和规避，若因其导致整车NVH问题，在后期的整改代价较大，所以在前期必须控制。

图5 车身的振动路径图

车身及TB的频率特性基本如下所示，其频率基本覆盖常见的频率范围，包括激励频率和主要共振频率，对其进行较好的控制尤为重要。

图6 车身的频率影响图

7、IPI与Mobility关系

Mobility定义如下：

图7 Mobility定义图

说明：

1、Mobility也是频域上的复数

2、与动刚度其实是同一事物的不同表述

3、它们都反映物体局部动态刚度特性

4、Mobility越大，动刚度越小

5、用Mobility可以方便地推导出系统隔振的性能

图8 动刚度与Mobility关系图

表1 与动刚度相关的基本概念

例：如该车架侧、动总侧及隔振垫三者的Mobility的曲线如下图9所示，在100Hz左右峰值主要是由于车架侧横梁模态引起。另在图中可以看出整个系统在300Hz左右隔振较差，10dB隔振都未达到，通过分析这个峰值是动总侧悬置支架的模态所致，在考察频率范围内不满足隔振要求，需要优化提升。

优化方向可以是提升动总侧支架的安装点刚度，或降低隔振垫的刚度。但是需要结合整个系统的性能要、限位、空间布置等综合考虑，一般建议提升安装点的刚度来解决。

图9 Mobility应用图

四、传递函数优化实战

1、动刚度概念

动刚度即刚度是随频率变化的，当激励点和响应点是同一点的时候，所得到的刚度为原点动刚度。白车身动刚度分析所考察的是在所关注的频率范围内该接附点的刚度水平，刚度过低必然引起更大的噪声。

由于测量振动信号的时候，加速度信号的测量相对于位移，速度信号更为方便，所以一般对于振动信号的采集通常采用加速度测量。反映连接点动刚度特性的原点加速度导纳称为IPI。IPI全称 Input Point Inertance，指的是加速度导纳，表示加速度响应与激励力之间的传递函数，如下图所示。

图10原点动刚度示意图

加速度导纳可以表示为：对车身某一点进行激励，得到同一点的响应，得到车身原点动刚度（IPI，InputPoint Inertance），定义为17-18所示。

由上式我们知道，加速度导纳IPI与动刚度kd的关系。所以，在分析过程中，我们会先计算出激励点处的原点加速度导纳，然后通过加速度数据后处理反推出原点动刚度。

IPI为加速度与力的比值，即为加速度导纳，在实际工程中人们为了更好交流，一般将IPI表述为动刚度；如通过计算，我们一般将曲线处理成以下形式，横坐标为频率，纵坐标为加速度，这种曲线实际为加速度导纳曲线，但我们也称为动刚度曲线。

图11 减震器左前安装点

动刚度实战1（详见18号讲座-汽车NVH设计仿真之传函分析及优化思路）。

现象：某一后悬置安装点Y向63Hz驾驶员右耳响应点出现明显峰值。

（1）排查动刚度：某一后悬置安装点Y向动刚度结果

（2）某一后悬置安装点Y向IPI优化对比

（3）某一后悬置安装点Y向NTF优化对比

动刚度实战2（详见下文18号讲座-汽车NVH设计仿真之传函分析及优化思路），每一步都将进行详细演示以及优秀案例分享！

2、振动传递函数概念

振动传递函数分析能够较为直观的给出车身结构对振动激励的响应程度，在设计初期对结构振动传递性能进行评价，针对性能较差的路径进行识别，为后续的结构优化指明方向。在外力的激励下，车内产生振动。

车内关键点（方向盘、座椅导轨、换挡手柄等）对激励大小的敏感程度，被成为声振传递函数或者灵敏度

图12 减震器左前安装点-方向盘12点

VTF实战（详见下文18号讲座-汽车NVH设计仿真之传函分析及优化思路）,每一步都将进行详细演示！

3、噪声传递函数概念

噪声能够较为直观的给出车身与声腔对结构激励噪声的影响程度，为后续的噪声结构优化指明方向。在外力的激励下，车内产生噪声。

• 车内噪声对激励大小的敏感程度，被成为声振传递函数或者灵敏度，

• 人耳刚能听到的声音叫听阀，听起来受不了的声音叫痛阀。声压从可听阀到痛阀，范围很大，为便于比较，噪声大小用声压来度量，即由空气压力波动的幅值来度量。通常用对数表示，称为声压级（dB），声压是标量。

除了特殊的情况以外，一般可听到的频率是20~2,000Hz。

・根据人耳的构造，200~300Hz范围的声音需要极力压制。

（1）人耳在接受到外界纵波时，若其传播前方是我们的耳朵的话，此波被头外侧的凸出来的耳廓所收集，经过外耳道，遇到在其尽头的鼓膜，使其振动。

　・鼓膜的振动，内耳～蜗牛～科尔蒂氏器官

　・～有毛细胞兴奋～大脑真皮质～产生感觉＝音。

NTF实战（详见下文18号讲座-汽车NVH设计仿真之传函分析及优化思路）,每一步都将进行详细演示，NTF优化号称是NVH中的王者挑战项！

此外，我将在18号讲座中分享优秀的设计案例和思路！还有汽车NVH一本通书籍解读分享。全网首本汽车NVH一本通书籍解读及分享，将初步全面介绍首本汽车NVH仿真书籍的内容，以及学习策略和方法，干货满满！

总之，汽车NVH（ Noise、Vibration、Harshness）在行业里素有“汽车玄学”之称，的确如此，不管是仿真分析、NVH性能开发以及NVH试验等等。NVH确实是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接的。

五、我的NVH设计仿真公开课

为了引起大家对离散元PFC仿真入门的兴趣，1月18日20时，笔者受邀在仿真秀2024设计仿真新年报告会第七期给读者朋友带来《汽车NVH设计仿真之传函分析及优化思路》，和各位小伙伴一起分享汽车NVH仿真的解决问题的独家秘籍和干货分享，预计讲座PPT内容在一百多页，花费大量的时间和心血整理，将分享众多的NVH传函解决方案和案例分享，以及优秀的设计案例和思路，敬请关注！