简单分析汽车工业中的玄学：NVH技术

汽车是人类科学技术进化的结晶，无论哪个零部件都离不开严谨的计算和精密的加工，所以单独说汽车是一门科学是毫无争议的。但是由这些大大小小精密零件组合起来的“科学”的汽车，竟然也有让工程师头痛的，被称之为“玄学”的部分，那就是汽车的NVH技术。而NVH技术，恰恰是我们开车，坐车时最在意的因素之一。那么NVH到底是什么，为什么要叫它玄学呢？



1.NVH是什么

NVH，英文全称为Noise，Vibration & Harshness，翻译过来就是噪音，震动和粗糙度。

Noise，噪音，是三者之中最容易理解的一环。能不能在等红绿灯时安静的欣赏一首音乐，或者在高速巡航时与家人一起聊聊天，都取决于汽车噪音控制工程的好坏。而噪音的来源也分为车内噪音和车外噪音两种，但凡有一环没有做好，整体的噪音控制都会很困难。



Vibration，震动，这一点相信大多数人也都可以理解，比如发动机启动那瞬间的“一哆嗦”就算震动的一种，经过粗糙路面车辆颠簸也算一种，而这两种同样代表着车内和车外的两种震动来源，与噪音一样，是影响乘坐舒适度的一大要点。



Harshness，粗糙度，这个其实是比较难翻译的一个指标。有的可以理解为“不平顺性”，比如新手开手动挡车型容易产生的换挡顿挫，有的也可以理解为“不可忍耐度”，比如会让人感到极度不适的特殊频率的震动或噪音等等，这些都属于Harshness的一部分。



而这三方面综合在一起，就是NVH性能，也就是衡量一部汽车做工好坏，以及乘坐舒适度的最基本标准。

也许很多人要问了，从上面的解释来看，将这些因素以数学的方式来量化，再进行分析整理，也可以算是一门科学，比如用数据来测试更好的隔音材料可以减少外部噪音，用仪器测试单台发动机的震动幅度，可以减少整车震动的问题等等。

但是别忘了，汽车是由上万个零件组成的复杂系统，改善一个方面，并不能解决大的问题，反而可能会带来更多意想不到的问题：比如换了发动机，但是跟变速箱更难匹配，提升了粗糙度；或者换了隔音材料，但是材料与周边元件的摩擦很频繁，反而增加了噪音等等…这也就是为什么很多工程师管它叫“科技中的玄学”了。

2.NVH为什么叫玄学

其实以上列举的原因，并不是NVH作为玄学的第一要点。从整体上来看，导致汽车具有噪音和震动的原因有很多。不过大家也不必担心这东西太过深奥而难以理解，其实用生活中的一些例子就可以很好的说明为何称其为“玄学”的原因。

第一，涉及来源众多

我们在车内听到的噪音，感受到的震动都具有十分复杂的来源。像发动机不断运转时，汽油做功时的爆炸声，变速箱工作时的噪音，悬架在压缩和伸长时的异响，轮胎滚过路面时的摩擦声，风吹过车身产生的风噪，都属于汽车本身产生的噪音。而在车外，同样会有其他汽车发出的噪音，鸣笛声以及环境的背景噪音等等。



除了这些常规的噪音来源之外，还有一些异响是在设计中不好发现的：比如各个零部件连接处，如果承受了较大的压力，两个零件相互摩擦就会产生不悦耳的声音。比如电子元器件在配合时出现啸叫，也难以从设计上解决。像这些偶发问题，也是工程师在检查时难以发现的点。



而在震动方面，诸如活塞上下运动的过程会产生整个发动机的震动，进而带动车身震动。如果车轮的动平衡，或者转动件的加工不过关，造成这些零件在转动时的不稳定，也会带来汽车的异动。还有包括风阻，地面带来的复杂原因，使得震动的来源也相当繁多。



第二，形成机理复杂

在声学理论中，形成声音的机理是十分复杂的。往往你听到的，或者感受到的最终结果，是由于多种原因综合产生的。

就拿车身异响这个最简单的例子来说。你感受到的表象，也许是前方仪表盘的下面有吱嘎吱嘎的摩擦声。那么人最简单的想法，肯定就是这仪表盘后面的零件出了问题，把摩擦的零部件换掉不就好了吗？

其实不然，也许这个摩擦的零部件只是输油管和地板之间的摩擦，但是这两个地方的设计并没有问题。那么就要顺藤摸瓜往上下排查。也许是发动机的抖动因为设计原因导致油管震动而摩擦，也许是因为油箱的震动而导致摩擦，而油箱又是因为某个固定器松了导致抖动，固定器松了又是因为轮胎的动平衡没做好，颠松的。所以一环扣一环，最后发现仪表盘下面有异响，竟然是因为轮胎的动平衡没做好导致的。但是这只是一个最简单的样本，真正的异响涉及到的因素更多，更复杂，有的甚至不知道来源，自然也就没法用科学的方法来解决。



而形成震动的原因又更复杂了。前面说的发动机，路面算是一级原因。而像上面说的输油管底盘摩擦如果再大一点形成敲击震动，那就是第二层原因。如果是车辆的多个部位零件发生共振而导致强烈颠簸，那就是第三层原因了。

说到共振，相信大家有听说过某西方军队在过桥时因为齐步走，造成的震动与桥面的振动频率一致而导致大桥坍塌的故事。虽说这个故事有点夸张，但是来形容共振造成的影响是十分贴切的。汽车的各个零部件就像一个个士兵，如果它们的固有频率相当，再加上发动机在某个转速震动的增幅，就相当于士兵齐步走，那震动和响声的程度自然就不用多说了。而这也是为什么有些汽车在某些速度会产生异响或噪声，震动突然增大的原因之一。



除了这些能用比较通俗例子来解释的成因之外，还有更多不好确定的因素，比如为什么天窗开了再关就有异响，右转上坡的时候方向盘就抖动等等奇怪问题。这些问题往往还需要更细致的拆解和测试才能确定。所以复杂的形成机理，也是为何NVH这么难做的原因。

第三，零件质量影响

在大家的用车经历中，最容易出问题的是什么车？肯定是老车。上了年头的车，就跟上了年纪的人一样，不仅行动会变迟缓，身体的各个机能都会退化。在汽车上，往往表现为零部件的老化和松动。

比如在车上大量担任减震件和吸能件的橡胶元件，就是受时间侵蚀最大的零件。老化的橡胶不仅弹性变差，在表面质量和抗拉程度上也有所下降。最直观的表现就是车身的隔音效果变差（很多缝隙都用橡胶件填充），异响增大（粗糙的橡胶表面摩擦金属）以及震动更明显（弹性下降，吸能性能下降）。



除了老化之外，另一个问题就是加工精度和配合度的问题了。我国虽然是制造大国，但是精密加工领域我们的水平还远远不及国外。除非是国外进口的机床（合资车企的铸造，锻造机），像自主设计，尤其是地方小企业的加工精度有时会达不到设计精度。而精度达不到，齿轮就会出现打齿和过度磨损，轴承会出现摩擦力不均，轴会出现转动不平衡等问题。



而这些因素，工程师是不会在设计时给予过多考虑的。所以万一这些零部件出现了质量问题，那NVH工程师真的只有认栽的份儿了。

将这些东西综合起来，就变成了一个十分复杂的体系优化过程，有时候NVH工程师放了数十个传感器来检测车辆的震动异响来源，可能一个都没有想要的结果，导致根本查不出根源在哪里，只能靠经验丰富的老工程师来猜测和试验。有的换个零件就好了，但是具体换哪个零件要靠蒙。有的则是解决一个问题，又引发了另一个问题等等……而这种没法用数据来量化的“经验”问题，往往会让刚入行的工程师摸不着头脑。

3.优化的途径

虽然很多“萌新”工程师，戏称NVH工程为玄学，但是在研究NVH性能的学科中，还是有很多因素可以量化成数字来进行研究的，而且也有很多非常简单的途径来解决。

比如最简单的隔音问题。当你觉得周围吵的时候要做什么？肯定是堵住耳朵。而汽车隔音的过程跟这个“堵耳朵”的过程是一样的。将车厢内联通外界的缝隙全部用厚厚的隔音棉塞住，钢板中间设计空腔，塞棉花，增加棉花厚度等等…前提是这个车可以接受足够大的自重，但在这个汽车轻量化的大趋势下，这样做显然是不合理的。



所以更技术的解决方案就是，要么更换隔音棉的材料，使其更轻性能更强。要不就设计更好的吸音腔结构和车身，使得车内的噪音更小。而这些就涉及到量化因素的各种数学方法了，比如：有限元分析法，边界元方法，统计能量分析方法，多系统动力学方法等等。



这些方法通过不同的数学模型，也就是一系列公式来进行汽车整体的震动，噪音和能量分析。原始数据则通过贴在车身各处的传感器来提供。利用数据分析来寻找理论上的“G点”，再通过在计算机上的模拟改进，从而改变整车的NVH特性。



结论：

在现在的汽车NVH性能开发中，数据建模和分析是汽车试产之前的重中之重，通过这个“科学”的方法，可以让试验车在制造出来之前就解决大部分的噪音异响问题。不过“玄学”所需要的经验法，从这里才要刚刚开始发挥作用。试验车的异响和震动，还有很多都是依靠老师傅的经验来判断问题来源的，并且这一过程，运气也是相当重要的一环。当一个工程需要科学，经验和运气来共同完善的时候，叫它“玄学”也就不过分了。