底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成,形成汽车的整体造型,并接受发动机的动力,使汽车产生运动,保证正常行驶。底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系组成。底盘系统关系到车辆的操控和安全,与乘客的乘坐舒适性关系密切。悬挂系统的软硬对于乘坐舒适性的影响很大;轮胎/路面噪音则在轿车速度超过70Km/h 时成为车辆最大的噪声源;传动轴噪声和刹车噪声也是顾客经常抱怨的问题。
悬挂系统是汽车上的一个非常重要的系统。它不但影响汽车的乘坐舒适性(平顺性)、还对其他性能诸如通过性、稳定性以及附着性能都有重大影响,每一个悬架都由弹性元件(起缓冲作用)、导向机构(起传力和稳定作用)以及减震器(起减震作用)组成。非独立式悬挂:两侧车轮安装于一根整体式车桥上,车桥通过悬挂与车架相连。这种悬挂结构简单,传力可靠,但两轮受冲击震动时互相影响。而且由于非悬挂质量较重,悬挂的缓冲性能较差,行驶时汽车振动,冲击较大。该悬挂一般多用于载重汽车、普通客车和一些其他车辆上。独立式悬挂:每个车轮单独通过一套悬挂安装于车身或者车桥上,车桥采用断开式,中间一段固定于车架或者车身上;此种悬挂两边车轮受冲击时互不影响,而且由于非悬挂质量较轻,缓冲与减震能力很强,乘坐舒适。各项指标都优于非独立式悬挂,但该悬挂结构复杂,而且还会使驱动桥、转向系变得复杂起来。
轮胎噪声
轮胎产生的噪声有两种:
(1)泵吸效应 由于轮胎胎表面有各种花纹,当轮胎胎面与地面接触时,胎面受压缩、拉伸,形成泵气、吸气效应。这种“泵吸效应”在轮胎滚动过程中周期性地发生,在空气中形成辐射噪声。
(2)轮胎振动 轮胎结构振动噪声是由于轮胎不平衡、胎面花纹刚度变化或路面凹凸不平等原因激发轮胎振动而产生的噪声,其中轮胎的径向振动为主,其振动频率一般在200Hz 以下;周向振动主要影响高频噪声。解决轮胎噪声的常用办法有:选用低噪声的轮眙、对轮罩处进行吸隔声处理,如图1。
传动系统噪声
传动轴噪声 发动机的转矩波动和振动,变速器及驱动桥等振动的输入,万向节输入和输出转速、转矩的不均衡性,传动轴本身的不平衡等,都是引起传动轴振动噪声的重要原因。传动轴振动噪声的扩散传播主要有两个途径:一是经传动轴的中间支承、变速器和后桥传给车身及其他部件,引起更广泛的振动和噪声;二是经周围空气直接向外辐射噪声。一般传动轴的噪声能量是很小的,在传动系噪声中不占主导地位。传动轴振动主要是由于其质量不平衡和弹性弯曲所致,因此研究传动轴噪声时首先应考虑传动轴刚度和动平衡度。为保证传动轴的平衡度,有如表2的要求:
表2 传动轴平衡精度要求
汽车传动系产生弯曲共振和扭转共振,从而使传动系振动加剧,噪声辐射大量增加。一般说来,弯曲共振比扭转共振的频率要高一些,频域要宽得多。在多数情况下,这两种共振是同时发生的。当发动机转矩主谐量的频率与传动系固有频率相同时,传动系便发生扭转共振,造成传动系零件振幅和所受载荷显著加大,从而加重齿轮啮合冲击,产生强烈的噪声。理论分析和试验研究表明,传入车内的最大噪声是由传动系在垂直平面作弯曲振动引起的。
减少传动轴噪声措施:可以在传动轴上做如下改进:提高传动轴的固有频率;改进转动时的动平衡;在传动轴内安置动力吸振器等。
某车型的传动轴由于在4500转松油门时有“嘎啦嘎啦”声,通过在传动轴内附加动力吸振器,解决了问题。图3为传动轴的一阶弯曲模态,如果传动轴带有动态吸振器则固有频率函数曲线会出现明显的峰值分裂(将一阶弯曲模态变为两相邻的弯曲模态)。
刹车噪声
制动噪声主要是由于摩擦蹄片和制动鼓接触恶化、摩擦蹄片和制动鼓间的摩擦系数随滑动速度而变化等引发的。由于制动蹄片与制动鼓间摩擦力的变化,制动构件受到该持续交变力作用而产生振动。一般制动蹄片首先振动,继而制动鼓和底板振动,发出连续噪声。对于盘式制动器来说,制动噪声主要是由于摩擦衬块与制动盘间摩擦力的变化,从而引起制动盘和制动钳振动并辐射噪声。制动噪声具有较大的高频分量,其频率范围在1k～8kHz 之内,所以人耳感觉到的是一种难以忍受的“尖叫”声。
高频“尖叫”声往往与盘体的周向模态有关,也与衬块与盘体的刚度比有关。增加盘体的动刚度可以减少高频“尖叫”声的发生。改变衬块的几何形状和压力分布可调整高频声的发生。在应用中,往往采用有限元建模与实验结合的方法修改结构设计来实现降噪。一些影响刹车噪声的因素包括:结构特性,如衬块、盘体与制动钳的质量、刚度、阻尼和几何尺寸;材料的性能参数,如摩擦系数、弹性模量和硬度;制动条件,如制动压力和制动速度;制动环境,如温度和湿度,它们通过摩擦系数来影响噪声。
图4 刹车盘结构
进/排气系统噪声
进/排气噪声在整车NVH 中也占有很重要的地位,是影响加速行驶车外噪声达标和内部噪声品质的重要噪声部件,进气系统对急加速车内噪声在中高频影响较大,而排气噪声对车内噪声的影响往往是低频“Booming”声。
进气噪声及其控制 进气门周期性开闭引起进气管道内压力起伏变化而形成的空气动力性噪声。对某些发动机而言,进气噪声有时比发动机本体噪声还要高出5dB左右,成为仅次于排气噪声的主要声源。产生原因:当进气阀突然关闭时,必将引起进气管道中空气压力和速度的波动,这种波动由气门处以压缩波和稀疏波的形式沿着管道向远方传播,并在管道开口端和固定壁面端(关闭的气门)之间产生多次反射,在此期间进气管道中的气流柱由于振动会产生一定的波动噪声。当进气阀开启时,活塞由上止点下行吸气,其速度由零变到最大值25m/s左右,邻近活塞的气体分子必然以同样的速度运动,在进气管内会产生一个压力脉冲,从而形成强烈的脉冲噪声。另一方面,在进气进程中气流高速流过进气门流通截面,会形成强烈的涡流噪声,其主要频率成分在1000～2000Hz范围内。
对进气噪声可采取的措施有:安装空气滤清器、设置进气消声器等。空气滤清器属于扩张消声器,赫姆霍兹共振腔和四分之一波长管也经常用于进气系统中。在某车型在开发过程中,发现进气在238Hz有一个峰值,于是针对该噪声的特点,设计了四分之一波长管来消除该抱怨噪声,如图5 所示。
排气噪声及其控制:发动机工作时,可燃混和气在极短时间内发生高温高压燃烧,排气门打开后,燃烧所产生的废气在排气管中急剧流动,受活塞往复运动和排气门开闭的影响,排气气流呈脉动形式在排气管中流动。排气系统对车内噪声的影响主要有:排气管口噪声、排气次级声和挂钩传递的结构声。
因为排气管从底部贯穿整个底板,所以对排气系统噪声的控制除了采用阻抗复合消声器外,还应当进行消声器壳体和隔热罩隔声处理,排气管的密封也需要重视。目前,对于消声要求较高的消声器通常采用双层壁外壳来控制壳体辐射,即消声器外壳用双层薄金属板卷制而成,中间还可以夹一层石棉层等作为阻尼衬垫。这种双层结构不但能显著提高消声器外壳的隔声效果,而且可以有效地抑制外壳的振动。所以对于双层外壳改为单层外壳的PKO项目一定要进行排气次级声的测量,确保壳体辐射达标;声学隔热罩的应用也很普遍,通常由多层铝板组成,中间加入隔热吸声材料,能够使车辆的内部噪声得到改善;还有排气管的密
封垫圈、焊接工艺也要特别注意,如果漏气和脱焊严重,不但影响消声器使用寿命,而且通过缝隙也会产生漏声和再生噪声。
整车模态匹配
为了在开发的早期能够从整体上保证不出现改变原设计方案的颠覆性振动噪声问题,设计上的一个重点是车身模态匹配、传递途径控制。
模态匹配:模态(结构动力特性)匹配对于整车开发模态匹配的目的是为了避免耦合系统、子系统和部件之间以及与主要激励源发生共振。根据对大量车辆的试验结果表明:整车模态匹配的重点在10~80Hz的频率范围内(此频带基本包括了路面激励和发动机怠速范围),因为在此频带内集中存在了发动机刚体模态、悬架模态、车身总体模态、主要操纵结构的共振和一些平面的局部共振。匹配原则是:从设计上保证上述模态不与发动机怠速(包括冷态怠速和热怠速以及可能的怠速提升)激励主阶次和车轮一阶不平衡激励频率重叠。目前不同级别的平台与发动机的配置已具有相对固定的规律,针对可能的发动机配置,可以准确地取得相应
平台激励频率可能的频带,兼顾结构设计上的可行性和成本以及各部件的不同性能要求,从而在开发的早期就可以对各大总成(比如:车身总体模态、悬架系统、转向轴系等)的固有频率取值范围进行匹配规划。图8为某车型的模态和频率规划。
图8 某车型的模态及频率规划
传递途径控制 除了对车身各总成部件之间进行模态匹配控制外,对传递通道进行控制也是整车NVH的关键技术。这些传递途径主要是:动力总成支承固定点、副车架固定点、悬挂系统固定点、排气吊钩固定点等。这些固定点应该尽量布置在车身模态节点处,并且在这些点到车内的传递函数的幅值也应当控制在一定范围内。
总结
底盘NVH是一门实践性很强的综合课题,随着科学技术的进步和汽车用户对车辆要求的不断提高,NVH在汽车工程开发中正显现出越来越重要的地位。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、根据噪声源的特点进行有针对性地改进降低振动噪声。■