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商用车NVH技术研究现状和面临噪声法规挑战

2019-09-10 14:11:27·  来源：易萌森戈CAE工作室  作者：黄森  
　
1引言车辆的NVH是指在车辆工作条件下乘员感受到的噪声（Noise）、振动（Vibration）和声振粗糙度（Harshness）。NVH已经成为体现各大厂商产品竞争力的主要指标之
 
1   引言
车辆的 NVH 是指在车辆工作条件下乘员感受到的噪声（Noise）、振动（Vibration）和声振粗糙度（Harshness）。NVH已经成为体现各大厂商产品竞争力的主要指标之一，也是年轻一代消费者购车的主要关注点之一[1]。商用车的商品性评价包括11项指标（图1），汽车涉及到NVH的要素是安全舒适，NVH是商用车商品性的重要指标。研发高质量的NVH性能是主机厂提升商用车商品力的重要举措之一。本文针对当前国内外商用车整车、关键子系统的NVH水平进行综述，对商用车NVH技术的发展、研究方法、未来的发展趋势和面临的挑战进行论述，为国内商用车开展NVH技术创新提供必要的信息和参考。
图1 商品性评价要素
 
2   技术发展现状
NVH包括对噪声和振动的两方面研究内容。噪声主要体现在声品质的考核，所谓声品质已经超出单纯用声压级来体现噪声水平，更多的是从心理声学的角度进行考察。与此同时，振动的控制也将更多结合身体对振动的敏感性去设计，考虑人体对频率的适应性。可以预见，未来无论是传统汽车或新能源汽车，NVH的“声&振”品质作为商品性的重要要素之一，将是NVH先进技术的最终体现，这不仅仅涉及到底盘和车身的NVH性能集成技术，还涉及到与智能控制结合起来的主动声-振控制技术的应用。对组成整车的各个子系统的NVH性能提出了新的挑战。
 
2.1子系统的NVH水平 
对于传统汽车来说，发动机、变速器、轮胎的噪声需要进一步优化。当前国内重卡发动机的1米噪声水平普遍较差，声压级基本在97～100 dB（A）之间，变速器的加载噪声声压级在90～92 dB（A）之间，卡车轮胎的声压级基本在85～90 dB（A）之间。相比欧盟相关产品在噪声水平上有3～5 dB（A）的差距。从振动的角度来看，国内商用车80 km/h综合加权加速度振级在120 dB（A）左右，这与国外先进水平有7 dB(A)的差距，这不仅仅是振动量级的差异，更会影响驾驶员的身心健康和整车零部件的疲劳寿命。要缩小差距，就必须要求国内零部件厂商加快发动机、变速器、轮胎、电机等关键部件的NVH性能提升技术研发工作。同时整车厂在给发动机厂、变速器厂、轮胎厂、电机生产商提更严格的NVH指标要求的同时，进一步提升自身的NVH性能集成与性能优化的能力。
 
2.2设计方法
当前商用车的NVH性能集成考虑的还不够全面，NVH正向开发流程和指标分解体系还不完整。车身和底盘在正向开发中往往忽略了集成后的NVH性能，各个子系统在前期开发过程中单独开展的NVH仿真结果和设置试验边界条件与实车差距较大，导致NVH性能集成后与预期差异较大。另外，车身和底盘开展轻量化的同时忽略NVH集成后的NVH性能，导致轻量化后实车发生很多NVH问题。声学包的开发工作同样需要考虑隔声性能与轻量化的平衡。商用车在车身开发过程中对声学包、风噪、路噪分析技术的应用还不够。开发过程中对发动机、电机在起步、加速、制动等非稳态工况的振动和噪声现象还没有进行实质的测试和仿真研究，对已有的车型没有形成NVH数据库，同时NVH正向开发的流程中缺少对关键NVH部件和设计的审查工作，模态的管理和匹配还只停留在对模态的评价上，模态导致的整车振动后果预测上没有很多积累。基于车辆主要振动噪声源的特性以及外场建立基本上以静止稳态声源为主，车辆通过性噪声的预测模型还有待进一步研究和优化。近年来，随着新能源汽车投入市场的力度越来越大，新能源汽车的NVH特性有待进一步研究，如电机、电子系统与电池噪声的相关研究和解决方法需要尽快开展，电力电子系统的高频噪声虽然总体声压级不大，但是高频声引起的“心理烦躁”要比传统车严重，新能源汽车与传统汽车在结构上的差异，给NVH设计带来新的挑战，与传统车NVH设计相比在解决思路和方法上有本质区别。
 
2.3软硬件设备
当前国内企业中NVH的测试设备和软件情况是比较乐观的，很多厂家都建立了相应的NVH试验室和NVH仿真团队，总体来说乘用车在软硬件上走在前列，商用车的NVH研发还没有上升到一定高度，也没有引起商用车设计厂商的重视。消声室、混响室、模态试验室、声品质分析试验室、整车异响(Buzz、Squeak、Rattle,BSR)分析室、保压密封、吸隔声测试等NVH开发所必须的试验能力与国际先进水平差距较大。 NVH的数据采集系统和振动噪声仿真软件基本被国外垄断，目前主流的测试系统主要有比利时LMS、丹麦B&K、德国Head系统。主流的噪声分析软件有LMS virtual lab、VA one等，国内自主开发的NVH软硬件产品基本上无法与国外相抗衡。
 
3   噪声法规挑战
20世纪60～70年代，国际上各主要汽车公司开始逐步重视NVH设计，2003年以后，国内乘用车企业逐渐有了NVH设计的概念，开始逐步从国外引进NVH专家，打造自己的NVH团队。相比乘用车，商用车由于国内市场环境的影响，整体NVH设计水平普遍较低，还不具备完整的NVH正向开发和整车NVH性能集成的能力。国内商用车车企要走出去，参与国际竞争，必须面对比国内更严格的NVH相关法规限制，表1 和表 2给出了不同时期欧盟对乘用车和商用车（载货和载客车）的通过噪声的限制要求，表1可知1970年的82 dB（A）到1995年的74 dB（A），噪声降低了8 dB（A）。相比欧盟美国的乘用车的通过性噪声限制是78 dB（A）。2016下半年开始，在欧盟逐步实行新的汽车降噪标准，根据欧盟UN ECE R51.03 车外噪声限制草案，未来欧盟销售的普通轿车的通过噪声标准将由现在的74dB（A）降低到68 dB（A），12 t以上重型货车从80 dB（A）降低到79 dB（A） ，见表 3。以中重型卡车为例，欧美商用车的怠速车内噪声为55dB（A）左右，我国本土商用车往往在60 dB（A）左右。80km/h匀速行驶时，国外中重卡的车内噪声基本上控制在68 dB（A）以内，国内基本上在70 dB（A）左右。通过性噪声国内卡车基本84～86dB（A）左右，国外相应产品在80 d（A）左右，从数据上看，当前商用车的NVH开发水平与国外的差距是比较大的。
自2000年开始在欧洲,日本等地的企业和认证机构的共同努力下，UN ECE推出了新的加速行驶车外噪声测试标准法规UN ECE R51.03系列，并确定于2016年7月1日正式实施。2007年国际标准化组织也推出了新的汽车加速行驶车外噪声测量标准ISO 362-1:2007取代了原来的ISO 362-1:1998。
UN ECE R51.03标准法规（表 3）限值共分3个阶段，第1阶段2016年7月1日正式实施；第2阶段于 2020年7月1日实施(N2类车辆延后至2022年7月1日)，第3阶段限值2024年7 月1 日实施(N2、 N3和M3延后至2026年7月1日)。 
UN ECE R51.03的整个车外噪声限值以功率为亚分类依据，即功率越大车外噪声限值越大。国内商用车如果按照UN ECE R51.03法规进行评价，基本不满足欧盟法规要求。
 
与此同时中国汽车技术研究中心也对GB 1495­—2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》进行了修订,现在标准的征求意见稿2017年已经发布。新国标给出了第三、四阶段的噪声限值。具体如表 4所示。新标准第三阶段从2020年7月1日起开始执行，第四阶段自2023年7月1日起执行。由于中国与日本，欧洲在货车领域NVH水平差距较大，新标准的执行必将推动整车及各自系统新的技术改进，商用车，特别是载货汽车，在推动发动机进一步降噪的同时，要进一步控制变速器、传动轴、主减速器、轮胎的噪声水平。
注：f）如噪声测量时采用多于两轴行驶，其限制增加1 dB（A）；噪声测量时采用多轴驱动，其限值增加1 dB（A）；N3类属于越野车类，其限值增加1 dB（A）。
 
4   商用车的NVH开发的几点建议
通过对目前国内外商用车NVH开发现状进行研究，提出以下几点建议：
（1）企业要进一步完善自身的NVH开发流程和企业标准，打造专家队伍，提升自身的NVH测试和仿真分析能力，进一步掌握噪声、振动控制的核心技术。
（2）对于商用车生产企业来说，全面对标，掌握竞争对手的振动噪声水平。构建NVH数据库，包括指标数据库、材料数据库、关键系统供应商产品NVH验收和质量跟踪数据库，掌握整车和各子系统的NVH指标正向分解和集成技术，汽车生产商应该执行严格的质量标准，同时全面提升自身的NVH整车性能集成能力。
（3）整车厂要对零部件企业提出更严格的NVH指标。同时发动机、变速器、轮胎等零部件企业要加快创新步伐，全面提升产品的NVH性能。
（4）新能源汽车而言，要关注电机、电力电子系统、燃料电池离心压缩机、声学包NVH研究。
（5）NVH设计人员培养要走仿真和测试结合的道路，测试人员要具备一定仿真能力，仿真人员也要具备一定测试能力。
 
5 结束语
日益严苛的国内外噪声法规给国内汽车厂商提出更大的挑战，特别是新能源商用车的快速发展，为商用车研发提出了新的课题，面对传统商用车噪声法规的挑战和不断出现的新课题，国内车企要积极应对，加大研发投入，走创新发展的道路，让中国的汽车工业从量变走向质变，进一步提升产品质量，实现从中国制造转变为中国智造。
参考文献
[1] 薛亮，黄森 .  汽车 NVH 技术研究现状与展望 [J].  汽车零部件 , 2013(5):78-81.
[2] ECE R117.01 Annex 3 - COAST-BYTEST METHOD FOR MEASURING TYRE ROLLING SOUND EMISSION. 
[3]黄森.发动机的振动噪声控制[J]. 汽车工艺师, 2016(1):74-75.
[4]王克.汽车变速器NVH性能改善途径研究[D].燕山大学，2017.
[5] Economic Commission forEurope of the United Nations (UNECE). ECE Regulation No. 51 Revision 1–Amendment 3 Uniform provisions concerning the approval of motor vehicleshaving at least four wheels with regard to their noise emissions[S]. 2007.
[6] Economic Commission forEurope of the United Nations (UNECE). ECE Regulation No. 51 Revision 3–Uniformprovisions concerning the approval of motor vehicles having at least fourwheels with regard to their sound emissions[S]. 2016.
[7]Douglas Moore. Development ofECE R51.03 Noise Emission Regulation," SAE Technical Paper 2017-01-1893,2017
[8]欧洲经济委员会 WP29（GRB）. (China) Proposalof new sound limit values to the draft 03 series of amendments to UN RegulationNo. 51[R]. UN ECE WP29（GRB）第 56次会议 . 2012.
[9] 生态环境部. 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法（中国第三3、四阶段）(征求意见稿) [R]. 2017.  http://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201710/t20171019_423625.htm 
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