NVH在汽車(chē)電動(dòng)化時(shí)代的新挑戰(zhàn)

FEV正在位于密歇根州奧本山的技術(shù)中心使用海德聲學(xué)（HEAD Acoustics）的數(shù)字人工頭進(jìn)行NVH測(cè)試。借助兩個(gè)平行的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，海德的數(shù)字人工頭可以覆蓋整個(gè)聽(tīng)覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍。（FEV）

電氣化為汽車(chē)行業(yè)與NVH問(wèn)題的長(zhǎng)期斗爭(zhēng)帶來(lái)了新基準(zhǔn)、新工具和新挑戰(zhàn)。

NVH領(lǐng)域的專(zhuān)家告訴SAE，隨著汽車(chē)行業(yè)逐步向電氣化轉(zhuǎn)型，用來(lái)分析和降低NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）的復(fù)雜科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入“全新疆域”。隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品越來(lái)越多，不再屬于最初的“高端產(chǎn)品”，部件、系統(tǒng)和整車(chē)設(shè)計(jì)與工程的新挑戰(zhàn)也不斷涌現(xiàn)。工程師指出，目前汽車(chē)行業(yè)正在“瘋狂內(nèi)卷”，對(duì)降低NVH相關(guān)的新分析和測(cè)試工具開(kāi)展基準(zhǔn)化和引入工作。

Pranab Saha就職的公司Kolano & Saha Engineers專(zhuān)門(mén)從事聲學(xué)、噪聲和振動(dòng)的分析與測(cè)試，他觀察到：“行業(yè)對(duì)提升車(chē)輛聲學(xué)性能的興趣將只增不減，而且NVH技術(shù)必須始終滿(mǎn)足客戶(hù)的期望。他還指出，最新的一些電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)表明，行業(yè)已經(jīng)在減少NVH來(lái)源及其傳播路徑方面取得了進(jìn)展。這降低了對(duì)“補(bǔ)丁”材料的依賴(lài)度，如填入車(chē)身空腔內(nèi)的聚氨酯泡沫和噴涂在車(chē)底的乳香脂，這些材料都會(huì)增加汽車(chē)的重量、成本和復(fù)雜度。但包括Saha在內(nèi)的眾多專(zhuān)家并不認(rèn)為所謂的“創(chuàng)可貼”式降噪材料將被徹底淘汰。

Saha認(rèn)為：“車(chē)內(nèi)的乘員不應(yīng)該聽(tīng)到底盤(pán)中電池組和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出的任何噪聲，但從車(chē)外仍能聽(tīng)到噪聲。有時(shí)這些噪聲會(huì)發(fā)展成質(zhì)量問(wèn)題?！?/p>

雷克薩斯首款電動(dòng)汽車(chē)2023 RZ的透視圖，展示了地盤(pán)的NVH處理。 （雷克薩斯）

與現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，客戶(hù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)精細(xì)化程度的期望正不斷提高。在內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)中，大約50%的NVH問(wèn)題與傳動(dòng)系有關(guān)，另一半主要由道路和風(fēng)噪產(chǎn)生。FEV的動(dòng)力系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)和車(chē)輛高級(jí)副總裁Kiran Govindswamy解釋道：“在電動(dòng)汽車(chē)中，噪聲的來(lái)源更加均衡：電驅(qū)系統(tǒng)（EDU）的噪聲、中低速行駛時(shí)的路噪和高速行駛時(shí)的風(fēng)噪，往往更加明顯。”

他說(shuō)：“我們可以這樣看待這些噪聲——只有客戶(hù)在車(chē)內(nèi)能聽(tīng)到時(shí)，牽引電機(jī)或齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲才值得注意，而路噪和風(fēng)噪可以在一定程度上掩蓋EDU噪聲。路噪和風(fēng)噪也不是完全不好，但也不能使其過(guò)于嘈雜，讓客戶(hù)覺(jué)得這輛車(chē)做工很差?！?/p>

不斷發(fā)展的仿真技術(shù)

Govindswamy指出，在減少路噪和風(fēng)噪方面，工藝精湛的高端電動(dòng)汽車(chē)通常“表現(xiàn)非常出色”，但代價(jià)是高轉(zhuǎn)速電機(jī)和齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻轟鳴聲。此外，電源逆變器也會(huì)產(chǎn)生10000 Hz左右的高頻噪聲。

EDU噪聲的三個(gè)主要來(lái)源包括：從電機(jī)外殼發(fā)出的電機(jī)本身的電磁噪聲；齒輪系統(tǒng)噪聲；以及來(lái)自軸承、液壓油和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體機(jī)械噪聲。對(duì)NVH工程師而言，確定噪聲來(lái)源及其傳播路徑并將其控制在可接受的范圍內(nèi)，這好比是一次臨床實(shí)驗(yàn)。例如，F(xiàn)EV使用了基于仿真的流程開(kāi)發(fā)EDU，以滿(mǎn)足客戶(hù)的降噪目標(biāo)。

用于測(cè)量?jī)煞N類(lèi)型的車(chē)輛噪聲傳輸。 （FEV）

“‘多體系統(tǒng)仿真’技術(shù)（一種對(duì)相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)活動(dòng)部件之間的相互作用，進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析的技術(shù)）和有限元分析的組合可以將電磁力以及齒輪系統(tǒng)的力考慮在內(nèi)，我們使用這種技術(shù)組合對(duì)噪聲水平作出預(yù)測(cè)”。FEV正在不斷改進(jìn)預(yù)測(cè)的精度和準(zhǔn)確度以滿(mǎn)足客戶(hù)的目標(biāo)。Govindswamy說(shuō)：“當(dāng)?shù)谝豢钤蛙?chē)進(jìn)入測(cè)試室時(shí)，我們就知道這離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不遠(yuǎn)了?！?/p>

專(zhuān)家認(rèn)為，仿真技術(shù)正在不斷發(fā)展改進(jìn)，但在相關(guān)性方面仍需完善。Saha說(shuō)：“我們非常依賴(lài)仿真技術(shù)，但我認(rèn)為許多新公司（汽車(chē)初創(chuàng)公司）對(duì)其過(guò)于依賴(lài)。他們?cè)陂_(kāi)發(fā)末期才對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，而且他們的預(yù)測(cè)結(jié)果也可能出現(xiàn)誤差，我們甚至見(jiàn)過(guò)根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)調(diào)整預(yù)測(cè)的例子。我不清楚這些公司是如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的?！?/p>

他指出，雖然一些正在進(jìn)軍電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的老牌OEM也在使用仿真預(yù)測(cè)技術(shù)，但“他們擁有更強(qiáng)大的評(píng)估能力（經(jīng)驗(yàn)）”，并能在開(kāi)發(fā)早期對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

輕量化和仿真技術(shù)

電動(dòng)卡車(chē)、大型SUV和高性能電動(dòng)汽車(chē)所使用的鋰離子電池組的重量占比極高，因此，車(chē)身工程師使用輕量化材料來(lái)抵消重量。但在某些情況下，這會(huì)引起車(chē)廂的NVH問(wèn)題。

Saha指出：“為了實(shí)現(xiàn)輕量化，我們使用聚合材料來(lái)代替鋼和其他金屬；使用耗散系統(tǒng)來(lái)代替屏障解耦裝置。但更輕的車(chē)身面板仍然存在振動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題。乘客希望車(chē)廂更加安靜，而工程團(tuán)隊(duì)則專(zhuān)注于量產(chǎn)效率，在這種情況下，我們引入了不同類(lèi)型的新型輕質(zhì)減振材料和其他技術(shù)。”

如何減輕由NVH和聲學(xué)部件帶來(lái)的額外質(zhì)量，這是一個(gè)需要關(guān)注的相關(guān)領(lǐng)域。Govindswamy說(shuō)：“這又回到了從源頭減少噪聲的重要性的問(wèn)題。我們正在進(jìn)行大量的仿真工作，非常具有挑戰(zhàn)性，但這也教會(huì)工程師如何高效地使用更輕的聲學(xué)材料?！?/p>

與其他汽車(chē)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的情況類(lèi)似，仿真技術(shù)愈發(fā)成為NVH解決方案不可或缺的一部分。VI-grade是一家NVH和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真工具的制造商，該公司的產(chǎn)品管理高級(jí)主管Dave Bogema指出：“我把NVH解決方案視作一個(gè)金字塔：頂層是簽字批準(zhǔn)，底層是為了實(shí)現(xiàn)簽字目的而進(jìn)行的大量桌面工作?！盢VH分析工作從桌面開(kāi)始，工程師首先使用功能日益強(qiáng)大的最新款分析軟件對(duì)各種想法進(jìn)行快速處理并剔除不可行的想法；下一步是主觀感受，因?yàn)槿绻胍龀隹煽康臎Q策，工程師就必須親自體驗(yàn)NVH。

Bogema說(shuō)：“你可以在桌面上實(shí)現(xiàn)部分功能，但是物理仿真器可以讓人體驗(yàn)到虛擬原型車(chē)帶來(lái)的沉浸感和真實(shí)感，這是桌面仿真無(wú)法比擬的?！?/p>

由于預(yù)測(cè)電機(jī)產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲和振動(dòng)涉及多個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域，且各領(lǐng)域之間的相互關(guān)系十分復(fù)雜，因此預(yù)測(cè)工作具有挑戰(zhàn)性。若要對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，則需要對(duì)電磁學(xué)、熱力學(xué)和振動(dòng)聲學(xué)分析三個(gè)學(xué)科的知識(shí)進(jìn)行整合。根據(jù)Ansys的說(shuō)法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)聲學(xué)噪聲需要滿(mǎn)足四個(gè)基本條件：一個(gè)用來(lái)解釋所有相關(guān)物理學(xué)基本原理的高精度仿真解決方案；一個(gè)用來(lái)整合所有物理學(xué)基本原理的平臺(tái)；對(duì)機(jī)器設(shè)計(jì)涉及到的各種物理參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化和優(yōu)化的能力；以及用來(lái)加速實(shí)現(xiàn)仿真的高性能計(jì)算能力。

此外，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)也在許多方面與NVH息息相關(guān)，它不僅會(huì)影響虛擬原型車(chē)的評(píng)估，也會(huì)影響乘客對(duì)車(chē)輛做工優(yōu)劣的感知。因此，物理仿真工具正在不斷發(fā)展，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的各種精細(xì)化需求。

Bogema說(shuō)：“在駕駛汽車(chē)時(shí)，你能同時(shí)感受到車(chē)輛的方方面面。比如涉及多個(gè)感官的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和聲音體驗(yàn)的乘坐舒適性，如果想要提高乘坐舒適性，就要把NVH和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)放在一起考慮，這樣可以提供對(duì)整體精度至關(guān)重要的可重復(fù)性和控制功能?！弊罱琕I-grade在2023年SAE噪聲和振動(dòng)大會(huì)上推出了新款緊湊型全頻譜仿真器（FSS，F(xiàn)ull-Spectrum Simulator）。緊湊型FSS可以在0.5-20 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行仿真并提供主要和次要的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和聲音體驗(yàn)。雖然沒(méi)有采用傳統(tǒng)的六足式仿真器設(shè)計(jì)，但FSS的四足設(shè)計(jì)也讓它能夠準(zhǔn)確地復(fù)制在坑洼、鵝卵石或任何其他表面行駛時(shí)產(chǎn)生的道路運(yùn)動(dòng)。除了提供道路運(yùn)動(dòng)外，F(xiàn)SS的振動(dòng)器還可以通過(guò)方向盤(pán)和座椅產(chǎn)生高頻振動(dòng)。

VI-grade還推出一款專(zhuān)為NVH設(shè)計(jì)的緊湊型駕駛仿真器，讓工程師能夠準(zhǔn)確地體驗(yàn)NVH。它的座椅結(jié)構(gòu)允許工程師對(duì)一系列虛擬座椅設(shè)計(jì)進(jìn)行嘗試，而FSS則需要更換物理座椅。Bogema表示，專(zhuān)用的NVH仿真器“可以隨時(shí)改變座椅參數(shù)，讓工程師感受不同座椅之間的差異”。他說(shuō)：“兩款仿真器針對(duì)不同的使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)：FSS在很大程度上針對(duì)乘坐舒適性；而NVH仿真器則是為了精細(xì)化調(diào)校?！?/p>

工程師也意識(shí)到他們可以在桌面上進(jìn)行交互式聲音設(shè)計(jì)，并為汽車(chē)打造不同的聲音效果，而振動(dòng)功能在其中發(fā)揮了作用。Bogema說(shuō)：“你真的需要在聲音設(shè)計(jì)中考慮到汽車(chē)的整體運(yùn)動(dòng)嗎？也許有時(shí)并不需要。”

定制NVH組件

提高車(chē)輛精細(xì)化的門(mén)檻并非電動(dòng)汽車(chē)的專(zhuān)利。專(zhuān)家表示，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的所有細(xì)分領(lǐng)域都在推動(dòng)新設(shè)計(jì)和降低NVH的新方案，包括目前仍以?xún)?nèi)燃機(jī)汽車(chē)為主的細(xì)分領(lǐng)域。不過(guò)專(zhuān)家指出，除非擁有極好的NVH性能，否則成本壓力會(huì)讓設(shè)計(jì)復(fù)雜的產(chǎn)品銷(xiāo)路不暢。

Vibroacoustic的新型、專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的NVH支架，用于空氣懸架硬件。（Vibroacoustic）

一直著眼于NVH的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，全球領(lǐng)先的汽車(chē)NVH解決方案供應(yīng)商威巴克（Vibracoustic）最近為空氣懸架供氣裝置（ASU）推出的一款新型可調(diào)節(jié)支架。如圖所示，這款簡(jiǎn)單而精致的新型ASU擁有一塊用于減震的塑料底座（以前為鋼制）、波紋管式橡膠襯套以及減震橡膠。襯套材料的特殊特性能在滿(mǎn)足剛度要求的同時(shí)，抑制壓縮機(jī)產(chǎn)生的徑向和軸向勵(lì)磁。

威巴克表示，新型安裝支架比傳統(tǒng)支架更輕、更堅(jiān)固，并支持在各個(gè)方向上進(jìn)行NVH調(diào)整，這是通常用于此類(lèi)應(yīng)用的螺旋彈簧無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。此外，波紋管式襯套設(shè)計(jì)模仿了彈簧的性能，可在低應(yīng)力下支持高位移。威巴克的工程師表示，由于橡膠化合物表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)剛度峰值比螺旋彈簧低60%，因此橡膠材料有助于讓共振峰值保持在合理范圍內(nèi)。

據(jù)FEV的Govindswamy介紹，未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)在NVH科學(xué)和工程方面的發(fā)展關(guān)鍵是維持平衡：即在不降低車(chē)輛續(xù)航能力的同時(shí)，滿(mǎn)足客戶(hù)的精細(xì)化期望。“我們正在努力解決的一個(gè)挑戰(zhàn)是在保證電機(jī)效率的前提下接受稍微高一點(diǎn)的噪聲程度，但需要車(chē)輛做出改進(jìn)以最大程度降低其對(duì)客戶(hù)的影響。而這需要進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)。”

NVH軟件仿真解決方案

在數(shù)十家NVH仿真軟件工具供應(yīng)商中，以下是我較為熟知的產(chǎn)品：

Actran

Actran是海克斯康A(chǔ)B（Hexagon AB，詳見(jiàn)下文）旗下的一款針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和部件聲學(xué)行為的有限元（FE）建模工具。它被廣泛應(yīng)用于解決400-1500 Hz的中頻噪聲問(wèn)題，該頻率范圍的噪聲對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。作為一款“開(kāi)放式”工具，Actran利用現(xiàn)有的FE和CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）仿真模型對(duì)來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)（車(chē)載泵、壓縮機(jī)）的噪聲源進(jìn)行研究。在通用，汽車(chē)工程師使用Actran來(lái)優(yōu)化凱迪拉克Lyric電動(dòng)汽車(chē)的降噪效果。

Altair

HyperWorks仿真套件包含與NVH建模、裝配、診斷、分析和優(yōu)化有關(guān)的一系列解決方案。套件中的自定義NVH Director可以整合包括網(wǎng)格劃分、裝配、荷載設(shè)置和后處理在內(nèi)的全流程，從而實(shí)現(xiàn)NVH分析任務(wù)的自動(dòng)化，以減少整車(chē)NVH的仿真時(shí)間。

Ansys

Ansys允許在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行快速NVH工作流以對(duì)不同電機(jī)設(shè)計(jì)/拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的噪聲水平進(jìn)行比較，從而對(duì)各種車(chē)速下的噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。借助此工具，工程師可以盡早發(fā)現(xiàn)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生原因，平衡電機(jī)的各種性能目標(biāo)，變更相關(guān)設(shè)計(jì)，并同時(shí)對(duì)NVH、熱力和電磁行為進(jìn)行研究。Ansys Motor-CAD集成了NVH工作流，可以為設(shè)計(jì)師提供各種力、位移和聲功率的呈現(xiàn)方式。接著可在Ansys Maxwell中生成2D和3D模型，并在Ansys Mechanical中進(jìn)行振動(dòng)聲學(xué)分析。

AVL

X-FEM NVH是一個(gè)4通道采集模塊，適用于所有常見(jiàn)的聲學(xué)傳感器輸出類(lèi)型，比如電壓、電荷和ICP/IEPE。每個(gè)通道都可以進(jìn)行單獨(dú)配置，原始信號(hào)則以高分辨率和時(shí)間同步的格式存儲(chǔ)為壓縮文件。AVL IndiCom或AVL Concerto的可選NVH工具箱包括最常見(jiàn)的NVH分析工具和在線(xiàn)NVH宏。

Brüel & Kj?r

Desktop NVH、SimSound、Source Path Contribution和Vsound等工具可以讓工程師為各種配置的車(chē)輛的車(chē)內(nèi)外噪聲進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)估；Insight+可以直接從CAE模型中創(chuàng)建讓NVH工程師聽(tīng)到并感覺(jué)到的噪聲，以便NVH工程師全面體驗(yàn)NVH數(shù)據(jù)。此外，CAE模型數(shù)據(jù)還可以與測(cè)試數(shù)據(jù)相結(jié)合，打造沉浸式的真實(shí)環(huán)境。

達(dá)索（Dassault）

其應(yīng)用廣泛的標(biāo)志性SIMULIA套件為NVH工作提供了全面的仿真工具集。

Dewesoft

在與NVH相關(guān)的工具中，Sound Quality Measurement能滿(mǎn)足以實(shí)證方式評(píng)估人耳如何感知不同機(jī)器產(chǎn)生的噪聲的需求。這款工具能幫助工程師確定人耳的噪聲感知方式、調(diào)整噪聲，使其讓客戶(hù)感到悅耳。

海克斯康（Hexagon）

該公司的Romax Spectrum套件能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)傳動(dòng)系的NVH仿真功能，并提供完整的、參數(shù)化的完整傳動(dòng)系建模，包括齒輪和軸承的接觸面。Romax套件也提供第三方CAE工具接口，包括用于聲學(xué)的Actran、用于多體仿真的Adams、用于電磁仿真的JMAG和Maxwell、用于FE建模的Nastran以及用于車(chē)輛NVH和噪聲質(zhì)量的VI-grade。

西門(mén)子數(shù)字化工業(yè)（Siemens Digital Industries）

西門(mén)子的Simcenter套件不斷添加NVH分析工具。得益于數(shù)字孿生方案，這些工具可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)車(chē)輛內(nèi)部和外部的NVH性能。