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拿掉发动机,NVH就so easy了?

拿掉发动机,NVH就so easy了?
2019-07-02 13:40:44 踢车帮
拿掉发动机,NVH就so easy了?

国内大力推广的纯电动汽车似乎在宣告着内燃机时代的没落,抛开情怀不讲,单从NVH角度来看,拿掉了发动机也就意味着去掉了最大的噪声和振动源,貌似NVH会变得简单许多,但实际是这样的吗?

无论是出于所谓的“弯道超车”理论也好,还是更符合下一步的智能驾驶方案也罢,纯电动是国内目前比较鼓励的发展模式。那么从NVH的角度考虑,纯电动意味着传统的内燃机被驱动电机替代,没有了发动机的振动和噪声,纯电动汽车的NVH会变得很简单吗?

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BMW i3结构剖视图

在讨论这个问题之前,先引入个概念——掩蔽效应

所谓掩蔽效应,就是指听觉系统对一种声音的感知被另一种声音所阻碍的现象。传统内燃机汽车由于有发动机的存在,使得其他噪音不那么明显。换句话讲,就是传统汽车中其他噪声很容易被发动机工作的声音掩蔽掉。相信对于每一位车迷而言,引擎发动的轰鸣声也算得上一种享受,因为对于人耳而言,发动机运转的声音是比较容易接受的,至少算不上刺耳。然而,纯电动汽车中,由于把发动机拿掉了,被掩蔽掉的各种各样的声音就会凸显出来,如果对于纯电动汽车不进行NVH调教,将会使得本应特别安静的驾驶室,显得不那么和谐。

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那么,对于纯电动汽车而言,其主要的噪声源有哪些呢?其NVH调教又需要在哪些细节上多下功夫呢?

一、胎噪和路噪

一般来讲,这两个概念不会刻意去区分,因为当我们驾驶汽车的过程中,直观感受上都是从车辆下方传来的噪音,但是细究下来,二者还是有不同之处的。

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胎噪,顾名思义,即轮胎产生的噪声,这种噪声产生的机理有很多,大致上可以归纳为以下几种:

1、轮胎与地面产生滚压时,轮胎上的橡胶块敲击路面,并引起橡胶块振动,向外辐射噪声;可以想象在平整的柏油路上,驾驶越野汽车(胎面粗糙,轮胎花纹沟槽深)与普通家用轿车(胎面相对平整,花纹沟槽浅)的胎噪对比情况。

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相同路面条件下,胎面越粗糙,噪声相对越大

2、轮胎与地面之间的滑移和摩擦辐射噪声;这种现象的极端情况就是绕桩试验,可以听到轮胎与地面摩擦产生的尖叫声。

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3、“泵气”噪声:轮胎的花纹与路面之间形成空腔,轮胎滚动的时候,空气在花纹与地面形成的封闭空间内被吸入然后被排出,如此的循环形成“泵气”的效果,进而产生泵气噪声。

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这个现象就类似于玩口技“B-box”(动次、打次~),通过将气体吸入、呼出,这个过程中发出一定的声音,组合起来就形成了一定的节奏和律动,只不过轮胎形成的这种特殊的“B-Box”不是大家所希望听到的。

4、轮胎侧壁结构在路面接触面附近不断受到变形,产生振动,进而产生结构声辐射。

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胎噪除了与表面花纹、轮胎结构、尺寸、材料等有关以外,还与轮胎的载荷、车速等密切相关,想必各位在实际驾驶过程中都深有体会。

那么,何谓路噪呢?当汽车行驶在粗糙路面上时,由于路面的不平对轮胎形成冲击,如果底盘隔振调教不好,将会把振动传递给悬架,引起悬架振动产生的噪声。这部分可以称之为路噪。如果各位还记得第一期NVH《讲堂》里给各位讲的结构噪声和空气噪声的话,这里的路噪属于结构噪声里面的一部分,胎噪属于空气噪声里面的一部分。

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Nissan Leaf:拿掉了发动机,对底盘仍然有较高的隔振设计需求,以减少底盘振动产生的噪声

在驾驶汽车的过程中,有时会听到底盘由于控制臂或副车架等的振动传来的回音(隆隆的声音),有些车在过减速带时,车轮驶过减速带的同时,能明显听到“咚、咚”的声音,这种噪声就是由于底盘隔振设计不理想,将路面的激励传递给悬架产生了冲击噪声。因此,在NVH开发阶段,隔振元件的设计、底盘零部件的振动特性分析,都是不容忽视的。

二、风噪

当汽车以较低的车速行驶时(一般低于80km/h),听到的更多的噪音是来自于底盘和轮胎。然而,一旦车速提起来,风噪将会变的特别突出,在失去掩蔽效应的纯电动车上将更加明显。

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模拟车身气流变化

风噪形成的主要原因是汽车在行驶时与气流发生相对运动,气流激扰作用在汽车上各处,直接或间接地影响车内噪声。从设计的角度来讲,汽车风噪可以分为以下几类:

1、密封不良引起的噪声,比如车门、车窗的密封胶条设计问题,看似结构简单的密封条,在降低风噪的过程中发挥着重要的作用。

2、车身外表面的沟、缝等由于几何不平整度引起的噪声;流线型的结构设计不仅可以降低风阻系数,还可以减弱车身表面的气动分离,进而有利于降低风噪。

3、车身外表突出结构,如雨刷、后视镜、天线、顶棚的行李架等外饰件引起的噪声;这也是Tesla、Porsche等厂商把门把手缩到车身里面的一个重要原因。若不是出于美观、消费者接受程度等的考虑,想必后视镜也被摄像头替代掉了吧~

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将门把手缩到车身里以降低风阻和风噪的方案,已逐渐被各大主机厂采用。

在车身设计阶段,既要兼顾美观,又要考虑风噪,这足够造型师和NVH工程师一番激烈的“讨(si)论(bi)”了~

三、驱动电机噪声

纯电动车型上,利用电机替代了发动机,没有了相对粗暴的燃烧过程,但驱动电机也不是“省油的灯”。

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Renault Zoe传动系统分解图:1、电控单元;2、定子;3、转子;4、单级变速箱和差速器

电机驱动带来的噪声主要有电磁噪声(以永磁同步电机为例,由于气隙中的电磁力作用在外定子或外转子上,使外定子或外转子产生振动并向外辐射噪声而产生的,主要与电磁力、电机结构、电机壳体声辐射特性有关,是永磁同步电机噪声的主要组成部分);机械噪声(轴承引起的噪声以及转子动不平衡力产生的振动和噪声);空气动力噪声(如涡流噪声:电机内部温度较低的空气在旋转表面形成旋转的气流产生的)。

这些噪声的直接体现就是急加速时的高频噪声,这些噪声不同于发动机的噪音,根据实际乘坐体验,纯电动驱动系统这种高频噪声给人的直观感觉令人很烦躁。因此非常必要对其进行控制。

四、齿轮啸叫声

齿轮啸叫是由于在齿轮传动过程中,由于齿轮的加工精度以及受力发生弹性变形的原因,在齿轮传动过程中,导致轮齿干涉、冲撞,进而产生激振力,引起传动机构及箱体的振动而产生的。

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Bmw i8电驱动系统,控制电机噪声的同时,传动系统的噪声同样不容忽视。

对于纯电动车,减、差速器是产生振动噪声的主要贡献部件之一。也正是由于没有了内燃机的掩蔽效应,这些在内燃机上没那么明显的噪声问题,一旦到了电动车上,就会显得特别的突出。

当然,上述几种噪声是电动汽车主要的噪声源,还有一些如雨刮器的噪声、空调压缩机的噪声,即使响度不大,但是也足以让乘客感到烦躁。此处就不再详细给大家展开了,大家可以自行试驾感受。

五、电动汽车NVH如何调教?

经过上面一波分析,看起来电动汽车的NVH问题并不比燃油车少,为了给消费者带来更好的乘坐体验,主机厂也在不遗余力的调教,那么到底是如何做的呢?对于我们普通的车主而言,在日常的维护中应该注意哪些问题呢?

在关于NVH的第一篇《讲堂》里跟大家讲过,激励、传递特性、响应,是系统的三大件。对于胎噪和路噪问题,一般来讲,路面的激励我们是无法进行改变的,毕竟柏油路不是咱自己修的~所以主要从传递路径这个角度考虑。

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马牌CC6静音轮胎,其轮胎花纹雕刻处处体现“黑科技”

对于胎噪而言,轮胎的花纹结构、胎面材料、气压等都对胎噪有着重要的影响,因此,米其林,普利司通等都开发出了静音轮胎,车主可以通过静音轮胎降低胎噪。当然,好的品质也意味着高的成本~具体静音原理可以参考下面给出的解释。

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CC6静音原理。这里的“亥姆霍兹共振器”原理可以简单理解为:通过特殊的结构设计,形成气体共振,利用共振消耗噪声能量,类似于工程上的动力吸振器,对特定频率的振动能量吸收。

此外,日常的使用中,注意检测并保证胎压正常(胎压不足会明显增加胎噪,常开车的朋友都有体会)以及进行合理的轮胎动平衡及四轮定位(保证合理的轮胎定位参数,减少轮胎的磨损,进而降低胎噪);

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对于路噪而言,通过合理的底盘调教,如调整悬架衬套刚度、阻尼,以及在设计阶段充分考虑各零部件振动特性,即所谓的“模态分析”:通过实验或仿真进行计算结构的固有频率,以避开激励频率,进而避免共振,降低路噪。此外,通过改进车身结构的设计,如采用高强钢等提升车身刚度,降低振动和噪声的传递。

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Volvo V40车身用材料中采用铝、高强钢、超高强钢等材料,同时满足不同性能需求

上述措施都可以减少路噪传递到驾驶室。当然,在白车身上合理布置阻尼垫,既可以衰减振动,又可以减少声音的透射。此外,驾驶室内的顶棚材料也不容小觑,里面的多孔结构能够很好的起到吸声的作用,使得声音的能量在多孔材料里面被耗散掉。

针对风噪的控制,目前主要采用的是优化车身结构,流线型设计,减少阻力,减少气动噪声,降低风噪;对于驱动电机噪声的控制,可以从结构设计、控制等角度出发,通过优化电机的开槽形式等方法实现减振降噪,目前一些高校和企业都在做这方面的努力;针对齿轮的啸叫,可以通过优化齿轮结构,对齿轮进行轮齿的微观修形,改善齿面的啮合误差,从而减小传递误差的幅值和波动,从源头上减小齿轮啸叫现象的产生,这种解决方案在传统内燃机汽车上也有采用。针对更容易暴露噪声的纯电动汽车而言,上述措施显得更有必要了。

对于纯电动汽车而言,除了续航、里程焦虑以外,NVH的调教真没那么简单。至于纯电动汽车到底能“跑”多远,要看消费者的实际体验了。

本文作者为踢车帮 杨仕祥

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