电动汽车振动特性及 NVH 性能控制研究进展
摘要：汽车振动及其产生的噪声影响汽车的舒适性、行车安全和使用寿命，引起噪声污染。汽车噪声、振动和声振粗糙度（NVH）性能是评价汽车振动及其噪声控制能力和乘坐舒适性的重要指标。论文分析了用户对汽车 NVH 性能的要求及评价方法，根据汽车振动及噪声的来源和产生的机理，结合汽车振动特性及 NVH 性能设计研究方法，综述了电动汽车电驱总成和悬架系统的振动特性及 NVH 性能控制研究现状，分析了隔振技术，指出了电动汽车振动控制存在的问题，提出了从提高整车计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）模型的精准性和通用性、优化整车结构设计、升级硬件材料配置和实施多部件协同控制提升汽车NVH 性能的研究方向，以期为电动汽车振动及噪声控制方案设计和实现提供参考。
关键词：电动汽车；振动特性；NVH 性能；电驱总成；悬架系统；隔振技术
汽车工业是我国经济和社会发展的支柱产业。现代汽车技术的发展方向是在保证行驶安全性、操纵稳定性、高效动力性的基础上，进一步提升汽车行驶平顺性、通过性，并尽可能地降低能耗。汽车行驶时暴露在由内部和外力引起的、具有不同频率的宽幅度振动中。汽车振动及其引起的噪声对周围环境和驾乘人员随车体验的乘坐舒适性有决定性的影响。GOODARZI 等[1]根据振动频谱的范围，结合振动对汽车和驾乘人员的影响程度，将汽车产生的振动分为三类：频率高于100 Hz、容易听见并对驾乘人员和环境造成干扰的振动，这类振动会产生噪声（Noise, N）；频率低于 25 Hz、与车身振动有关的且易被驾乘人员感受的振动（Vibration, V）；频率处于 25～100 Hz、能通过座位和仪表盘的震动被驾乘人员感受并引起不舒服的振动（Harshness, H），即 NVH。汽车的NVH 性能反映了汽车对振动及其噪声的控制能力，是评价汽车质量和技术性能及乘坐舒适性的重要指标，采用汽车声学品质的优劣来衡量[1]。NVH 性能是一个综合性能，需要依靠整车各关键部件的可靠性和控制系统的稳定性来实现。汽车NVH 性能必须满足国家法规要求获得上市资质，同时需要满足客户对汽车舒适性的认可来获得足够高的销售量，NVH 性能是汽车档次的标志之一。汽车主机厂在研发前对生产的车辆及其动力系统的噪声控制都有明确的定位。NVH 性能也成为衡量汽车企业制造和研发水平的重要指标。NVH 性能设计是指在保证汽车的强度、刚度和安全等性能的前提下，尽可能地降低整车振动峰值及驾乘人员感知的噪声强度，提高汽车舒适性能[2]。
新能源汽车不使用化石燃料，减少了行车过程中二氧化碳的排放，与燃油车相比，具有对环境友好的优势，受到市场的青睐。图1给出了由公开资料统计的近十年中国新能源汽车产销状况，总体产销量呈持续增加的趋势，特别是2021年和2022 年新能源汽车的产量分别为 354.5 万辆、705.8 万辆，销量分别为352.1万辆、688.7 万辆，代表了我国汽车工业低碳环保的发展方向。目前，在满足国家环保要求和保持汽车整车动力系统技术优势的前提下，积极降低振动噪声、提高汽车驾乘人员使用时的舒适性成为汽车行业竞争力的重要标志。本论文分析了用户对汽车 NVH 性能的要求及评价方法，根据电动汽车振动及噪声的来源，结合目前汽车振动特性及 NVH 性能设计研究方法，综述了电动汽车电驱总成系统中驱动电机和齿轮传动系统、汽车悬架系统振动特性研究现状及其对整车 NVH 性能的影响，指出了提升汽车NVH 性能存在的问题和未来减振技术的研究方向，以期为电动汽车振动及噪声控制方案设计和实现提供参考。
1 汽车振动噪声来源及 NVH 性能评价
1.1 汽车振动噪声来源
汽车是包含大量零部件的弹性集 合体，汽车1 汽车振动噪声来源及 NVH 性能评价行驶过程中不可避免地出现不同程度的振动。根据振动产生的原理，轮胎和地面的接触摩擦、气流作用到车身、动力系统工作、汽车悬架系统及车身结构产生振动并传递到车内，使驾乘人员产生不同的舒适性感受。汽车的振动噪声主要来源于汽车动力系统、路面激励引起的车内结构振动及结构辐射噪声，由钣金件、声学包和孔隙等传递的空气传播噪声[3]。汽车的 NVH 性能与整车的材料选择、结构设计及控制策略直接相关。
1.2 汽车 NVH 性能评价方法
汽车振动影响驾乘人员安全、货物完好程度和汽车零部件的使用寿命，汽车振动噪声危害社会大众的身体健康。汽车噪声是目前受众面最广、影响范围最大的流动噪声污染源。因此，世界各国都有规定汽车整车车外通过噪声的控制极限值，从法律层面约束了新型汽车产品上市的必要条件。汽车整车车外通过噪声极限值成为汽车主机厂 NVH 性能设计时首先需要考虑的目标，采用A 计权声压级来评价。中国发布了《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法（中国第三、四阶段）》（GB 1495）新国家标准的征求意见稿，改变了噪声测量方法、加严了噪声限值、增加和完善了汽车（特别是电动汽车）的测量条件。中国自 2023年 7 月 1 日起实施第四阶段标准，噪声极限值为71～81 dB(A)。联合国欧洲经济委员会法规 ECER51/03 规定，汽车加速行驶时车外噪声极限值目前为 70～78 dB(A)，2024 年为 68～77 dB(A)[4]。汽车的 NVH 性能，从用户使用体验方面体现了汽车的产品竞争力。尽管汽车振动的强弱和由此产生的噪声可以通过相关的检查仪器进行检测，但驾乘人员对这类振动引起的舒适性感受会因人而异。研究者基于人对振动频率和幅度的敏感度及暴露忍受持续时间，定义了不同方法来评估人在汽车振动暴露中的风险[5]。GOODARZI 等[1]指出，目前评价人类对整车振动忍耐能力最通用的汽车驾驶舒适性标准是 ISO 2631-1。目前对汽车 NVH 性能进行设计研究的重点是根据引起汽车振动的内在因素和环境条件，通过试验测试或仿真模拟，分析在不同激励条件下汽车振幅与频率响应关系，获得汽车振动部件的辐射噪声值，为通过优化汽车整车功能设计来控制汽车振动及噪声提供解决方案。
2 电动汽车振动特性及 NVH 性能控制
2.1 汽车振动特性研究方法
根据汽车的工作原理和结构特征，汽车整车噪声主要来源于动力系统、传动机构、轮胎、车身等的振动。汽车零部件的装备水平很大程度上决定了其减少振动、控制噪声的能力。为此，控制汽车 NVH 性能，需要研究汽车各部件在不同负荷条件下的振动特性，掌握不同激励条件下各噪声源的振动辐射噪声特征，从而有针对性地设计出合理的汽车整车各部件的结构及工作性能控制方案，达到提高汽车整车 NVH 性能的目的。汽车振动和辐射噪声特性研究一般采用以测试为主的试验研究方法，即对已成型的产品进行振动试验，测试试验样品的振动特性并对振动噪声进行评价，根据噪声特征提出振动控制措施，优化样品结构和控制方案，再试制出新的样品重复进行测试和评价。试验测试研究方法往往只能针对某一特定激励过程或某一具体部件进行单一的研究，不利于同时对汽车整车振动特性进行耦合分析，且设计和制作样品周期长，研究成本高，无法满足汽车开发速度和更新换代快的发展需求。
目前，计算机模拟方法已成为描述虚拟产品结构或行为并通过自动模拟进行虚拟产品评估的重要手段。PIDAPARTI[6]以工程有限元分析方法为例，系统地介绍了计算机辅助设计（ComputerAided Design, CAD）和计算机辅助工程（ComputerAided Engineering, CAE）在需要借助计算机模拟解决的特殊工程问题方面的应用。采用 CAD 技术设计并优化出满足特定性能标准的原型机几何模型，通过 CAE 技术来分析 CAD 几何模型的动力学特性，通过有限差分法、有限元法、边界元法、多体动力学、计算流体力学等多元耦合模型，结合图像分析处理技术，原型机的结构变形/应力都可以通过模型模拟来显示，CAE 允许设计者通过模拟研究赋予虚拟产品特定的功能并发挥作用，从而使设计更精准、产品性能更优化，为汽车 NVH性能分析和控制方案设计提供了重要工具。CAE计算软件已广泛应用于发动机、电动机的相关力学、模态、频响、声学等特性的模拟研究与分析[7]。
2.2 电动汽车动力系统 NVH 性能
电驱总成作为电动汽车的核心部件，其疲劳可靠性关系到电动汽车的行驶安全和使用寿命。随着汽车轻量化、集成化和高转速发展，汽车用材刚度降低、电驱总成中各部件模态数量差异较大、电机高速旋转引起的振动噪声问题将更严重，从而对整车 NVH 性能设计要求更高。根据电动机工作原理以及声学激励原理，驱动电机结构噪声的控制主要集中在对振动激励源特性研究、振动传递路径研究及振动噪声控制研究三方面。电动汽车电驱总成振动噪声的研究流程是分别求解出电机的电磁激励和减速器的机械激励，并将总的激励施加到电驱总成壳体上，采用有限元法和边界元法求解其振动噪声，获得具体的响应幅值。目前的研究集中在先进电机及减速器的振动特性模拟方面。
KUMAR 等[8]采用三维仿真模型研究了开关磁阻电机和齿轮箱的 NVH 性能，提出了更全面和精准的预测电机和齿轮噪声的方法，指出改善噪声预测精度可以考虑引入齿轮啮合刚度。陈思行[9]通过建立电驱总成 NVH 分析模型掌握其振动噪声幅频特性，实验验证了通过添加声学阻尼材料从传递路径抑制和对减速器齿轮进行微观修形，从激励源上对电驱动总成的振动噪声进行控制，达到了减振降噪的效果。汪建[10]分析了纯电动汽车动力总成振动噪声产生的原因及传递途径，搭建了电磁-结构-声场耦合动力总成仿真平台，明确了影响电磁振动噪声的主要因素，优化了电机转子结构，制造了动力总成样机，并在半消音室测试 NVH 性能，实测到最终 48 阶峰值噪声下降了6.18 dB(A)。
振动疲劳试验是验证和评价电驱总成可靠性必不可少的重要环节。胡秋洋[11]采用仿真和道路载荷谱采集技术，提取电驱总成的振动疲劳载荷谱特性参数，通过电驱总成多轴振动模拟试验台，对实际行驶载荷谱进行模拟和再现，建立具备疲劳载荷谱的电驱总成多轴振动模拟试验平台，为进行高效准确的电驱总成振动疲劳试验提供手段。邹喜红等[12]公开了一种电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验方法，经多组试验验证了该方法的有效性，为电动汽车动力传动系统重要零部件的扭转冲击试验方法及标准的制定提供了参考。安治国[13]提出一种双辅助槽的定子、转子结构，通过改变开关磁阻电机内部电磁场分布来改变径向电磁力达到减小电机振动及噪声的目的。
齿轮传动系统振动噪声是影响电动汽车的安全性、稳定性和舒适性的重要因素。电机转速不断提高和多级齿轮传动系统在电动汽车上应用增多后，差速器 NVH 性能控制、齿轮传动系统动力学特性、振动噪声控制和齿轮修形优化设计受到了研究者的重视。汪敏[14]针对新能源汽车多级齿轮传动系统构建立三维模型，根据振动噪声控制目标，结合齿轮修形参数的约束条件，采用标准粒子群算法求解机器学习噪声预测模型，提出了多级齿轮传动系统齿轮修形降噪的优化设计方案。黄勤等[15]针对某商用皮卡变速器在动力传递齿轮的啮合过程中会产生蠕行异响问题，采用测试设备对变速器进行 NVH 性能测试分析，确认了变速机构中的互锁机构、挡位结构存在模态响应问题。根据测试和 CAE 仿真结果确定问题噪声主要来自变速器变速机构，随后对 R 位变速杆进行了制造工艺优化，解决了蠕行异响问题。双离合器变速器具有省油节能的特点被许多混合动力新能源汽车选用。曹鹏宇[16]搭建了双离合器变速器传动齿轮组自动建模设计平台，通过有限元法和边界元法分别探究了双离合器变速器的振动和噪声特性，为双离合器变速器的自动建模与改善振动噪声提供了参考资料。
2.3 汽车悬架系统 NVH 性能
悬架系统是连接车轮和车身之间的主要系统，是车辆底盘的重要组成部分，起着缓冲路面激励的作用，决定了车辆行驶时的乘坐舒适性和操纵安全性。汽车悬架重要任务之一是减缓由于轮胎与地面接触产生的振动，悬架系统振动特性研究、主动控制方案设计和悬架系统结构优化一直是汽车减振研究中的重点。汽车悬架系统的振动特性研究是指导主动控制方案设计和悬架系统结构优化的基础。主动悬架通过对输入悬架系统的激振力施加反作用力来减小传递到车身的振动幅值，乘车舒适性体验效果好，高端车型通常采用主动悬架。主动悬架系统设计主要通过优化执行器的控制算法实现创新。主动悬架系统 H∞控制的鲁棒性能比最优控制、滑模控制都好，能够改善绝大多数多接收多发射端（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）系统的振动控制问题，有效地弥补了最优控制和滑模控制中的不足[17-19]。陈璐[20]研究了磁流变阻尼器悬架系统在路面激励参数变化下的动力学演变过程及混沌振动控制策略，验证了悬架系统的舒适性和稳定性。采用改进型滑模变结构控制策略，混沌振动得到有效抑制，悬架承受冲击响应小、振动强度低，且比经典的线性反馈控制响应速度快、工程易实现、对振动控制效果更好。张步云等[21-22]将滤波白噪声法、协方差等效法、虚拟激励法结合起来，并考虑非匀速行驶时前后轮的变时差特性，推导出车辆悬架系统单轮、后轮以及左右轮的非平稳虚拟激励，研究了悬架系统非平稳随机振动的时频域振动特性，并对主动悬架变频带控制，使悬架系统获得优良的减振性能。
2.4 汽车隔振技术与 NVH 性能
隔振技术是通过在待隔振设备与激励源之间安装弹性阻尼元件（被动隔振）或反馈控制装置（主动隔振），减少振动能级从隔振主动端到隔振被动端的传输，起到隔离振动的作用[23]。目前汽车常用被动隔振技术，在保证汽车动力系统安装稳定的前提下，通过隔振装置材料选择、结构和控制方案设计及安装方式优化来有效减少振动传递量。适当增加车身阻尼是利用隔振技术降低车身共振及振动传递的有效方式。
有研究者以激励源-传递路径-振动受体模型分析驱动系统，并根据振动噪声试验数据提出增加隔振系统，试验验证了增加隔振系统可以改善电机控制器工作环境、降低驱动总成振动噪声[23]。潘公宇[24]设计汽车整车主动悬架控制方法为隔振装置的升级提供电控方向新思路。贾富淳等[25]采用动力吸振器可使发动机振动传到车架的能量减少了 39％，适当增加刚度和阻尼对提高动力吸振器的吸振效果作用明显。合理选择隔振装置的材料、形状、弹性性状、安装形式、安装位置，实施整车主动悬架控制，开发新型吸振器，是最高效的抗振降噪措施。
3 电动汽车 NVH 性能改善措施
3.1 提高整车 CAD/CAE 模型可靠性
影响电动汽车 NVH 性能的主要因素是用于整车制造的各单体部件材料及其结构的振动特性和实现整车稳定工作的控制系统的可靠性。汽车作为特殊的产品，由于受开发周期和开发成本的限制，基于试验研究的汽车 NVH 性能优化受到限制，而基于现代 CAD/CAE 技术建立汽车仿真模型，采用有限差分法、有限元法、边界元法等研究汽车振动特性和进行噪声分析已成为设计并控制汽车 NVH 性能的重要工具。CAD/CAE 建模需要结合现代汽车轻量化技术的材料特征、新能源汽车电机能量转换时的损耗，完善整车 CAD/CAE模型结构，优化各部件模型参数，建立符合汽车实际约束条件的精准模型，并设计出合理的台架试验装置对模拟结果进行验证，提高模拟结果的可靠性和通用性。
3.2 优化整车硬件及软件配置
目前国内外关于新能源汽车振动噪声的研究，通常针对系统中的单一零部件在汽车的平稳工况开展振动噪声分析，研究结果用于指导提高整车 HVH 性能的参考价值有限。未来新能源汽车需要针对电驱总成和多级齿轮传动系统进行深入开发，掌握基于多个激励因素条件下各部件之间振动噪声的特性及相互影响，优化出针对新能源汽车工况条件下的降噪措施。
电驱总成根据车型顶层规划进行平台化和模块化设计，开发成本低、周期短，能满足客户的个性化要求。电驱总成采用共壳体及同轴设计，极大地提高了整车的 NVH 性能和电驱总成系统的可靠性，成为电动汽车动力系统的发展趋势[26]。但是轻量化、集成化造成的振动噪声问题更为严重，对整车的 NVH 性能设计要求更高。采用不同抗振强度的高强汽车钢制造汽车车体和关键零部件，对提高汽车的抗振动性能起关键作用。采用高磁感、低铁损和高强度的无取向硅钢，对提高电机能量转换效率、降低能耗、减少电磁和机械噪声意义重大。汽车制造时材料刚度不强、零部件制造缺陷容易导致汽车运行中出现敲击或撞击等剧烈振动。因此，汽车主机厂在设计 NVH 性能时首先需要考虑汽车制造选材和关键部件加工精度的问题。
根据吸隔声结构降噪、阻尼材料减振降噪、激励源密封降噪的原理，优化整车硬件及软件架构设计，升级硬件材料配置和软件功能，通过多部件协同一体化控制提高汽车 NVH 性能是未来提高汽车质量的主攻方向。
4 结束语
根据国家对现代汽车工业发展的要求，未来汽车工业的发展方向将主要聚焦于与汽车动力系统直接关联的降低能耗、减少排放、控制噪声三个方面。
汽车 NVH 性能开发是各汽车主机厂需要研究的关键技术。CAD/CAE 建模需要结合现代汽车轻量化技术的材料特征、驱动电机材质对能量转换损耗、电磁噪声和机械噪声的影响，基于多个激励因素条件下各部件之间振动噪声的特性及相互影响，建立符合汽车实际约束条件的精准模型，提高模拟结果的可靠性和通用性。优化设计汽车整车车体结构和动力系统，升级汽车单体部件材料性能和结构功能，实施多部件融合系统控制，重视隔振技术的开发，控制和减小车辆的振动幅值，成为汽车生产企业提高产品 NVH 品质的重要方向。
作者：黄思怡 1，康健强*2
作者单位：（1.武汉理工大学 国际教育学院，湖北 武汉 430070；
2. 武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）
来源：汽车实用技术
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