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从汽车NVH性能谈到悬置系统
2018-04-08 15:54:37· 来源：汽车悬置系统
跟很多非汽车行业的人谈到悬置的时候，他们第一反应以为是悬架。就连在汽车行业内部，大家对Mount这个英文单词熟悉的程度也要比悬置要高。而且关于悬置的部门归属问题，也有一些不同。有些OEM把悬置归属到底盘部门，也有些OEM把悬置归属到动力总成部门。足以见得悬置系统需要考虑的东西比较多。
跟很多非汽车行业的人谈到悬置的时候，他们第一反应以为是悬架。就连在汽车行业内部，大家对Mount这个英文单词熟悉的程度也要比悬置要高。而且关于悬置的部门归属问题，也有一些不同。有些OEM把悬置归属到底盘部门，也有些OEM把悬置归属到动力总成部门。足以见得悬置系统需要考虑的东西比较多。
要真正了解一个系统，需要追根溯源。所以今天想从整车NVH性能谈起，跟大家交流一下悬置系统。
1.整车NVH性能
一辆汽车需要关注的性能有很多，总的来说可能有十几种。虽然悬置系统需要关注的性能很多，包括NVH性能，操控性（VD），可靠耐久性等各方面，这里想重点说一下NVH性能，因为这个是悬置系统存在的一个很重要的原因，也是悬置设计的时候需要考虑最多的。
关于NVH性能，很多人都已经很熟悉这里面的N，V，H分别表示什么，这里只是简单强调几个关键点。
对于Noise，这里主要是不期望的声音。很多人喜欢全油门时排气的声音，那么这个就应该不属于噪音。另外想说明一下噪音的频率范围，一般是中高频，20HZ~5000HZ。频率在NVH性能中很重要，后面会提到。
对于Vibration，一般的频率范围是种中低频，0.5HZ~500HZ。
对于Harshness，虽然在NVH中，但是平时设计中很少考虑到，主要原因在于这个一般是人体的主观感受，很难用客观数据来度量，可以简单理解为声振粗糙度，也可以理解为不平顺性。
2.空气声和结构声的概念
这个概念很重要，因为关乎到我们需要用什么样的方法去解决这个噪音问题。
【空气声】：是指源发出的声音直接在空气中传播，到达接收者的位置；
【结构声】：是指源激励结构振动，通过结构振动传递到接收者附近，再向外 辐射噪声到达接收者的位置。
为了更形象的解释这两者的区别，我用下面一个简单的示意图：
空气声声源主要有发动机、变速器辐射的噪声，发动机附机辐射的噪声，例如水泵、发电机、风扇等，进排气噪声，路噪和风噪等。空气声穿透车身隔吸声材料到达车内，通过空洞和缝隙到达车内。
结构声的主要源有动力系统、路面激励悬架敲打车身，风噪激励起结构局部振动。结构声主要通过发动机悬置，与前壁板连接的管路、拉索，传动轴，排气系统吊耳等到达车内。如局部板结构被激励起来后，会对车内辐射噪声，会与声腔模态耦合共振，空腔模态会与噪声源的某些频率共振。
所以，从这两者的区别可以看出这两个噪音的解决思路完全不一样：
结构声通过模态匹配进行控制；空气声通过声学包和气密性进行控制。
悬置不能解决很多问题，在需要悬置改进来解决问题，请先弄清楚噪音的来源到底是哪里，若是空气声，那么悬置系统是无能为力的。
3.整车振动传递路径
在解决振动问题的领域，振动传递路径的分析是必要的，很多NVH设备供应商都在传递路径（TPA）这一块开发了自己的功能块，下面只是概述性的介绍一下整车振动的传递，已更好了解悬置系统的位置。
上图是一个简单的整车激励源到接受者的一个传递。
对于激励源来说，最主要的就是有两个，一个是动力总成的激励，一个是来自路面的激励。另外就包括一些其他零部件带来的激励，比如，轮胎的不平衡，冷却风扇，空调压缩机等。
对于传递路径，整车基本所有零件都在传递，但是我们需要挑选出贡献量比较大的，后面对底盘的传递路径会做个简单介绍。
对于接受者，这里更物理化一点，分别是座椅，方向盘，车内噪音，以及后视镜的抖动，分别涉及到乘客或驾驶员的触觉，视觉，听觉。
接受者的感知
我们一直被教育，要从客户角度来做开发设计，所以这里首先看看接受者，也就是驾驶员/乘客的特质。
关于人体对振动的感知程度，在GBT 《汽车平顺性试验方法》 4970-2009中有比较清楚的定义。下面只是对几个主要的方面作一个示意。
我们依然需要重点关注频率，即人体对频率最敏感的范围。这里主要提两个方向，一个是垂直方向，是4-8HZ的频率范围，这个应该是人体胃部的固有频率范围。另一个是水平方向，频率范围为0.5-2HZ。
其次需要关注的就是振动加速度，这个是可以通过设备测试出来的客观数据，所以也经常被当作从VTS打散出来的SSTS或者CTS的目标。
对人体在车里的坐姿进行分析，会发现人体与车接触可以粗略的分为4个点，分别是座椅后背，座椅底部，方向盘，驾驶舱地板。而最敏感的两个点是方向盘和座椅。所以我们经常测试的数据就是方向盘的抖动和座椅导轨的抖动。
关于方向，主要是三个轴线方向和绕轴线转动的6个方向，而乘客最敏感，也就是我们最需要关注的应该是上下（bounce）和俯仰（pitch）方向。
底盘振动传递路径
分析完接受者之后，我们接着看一看传递路径的情况，这里简单列举了一下底盘振动的传递路径。
上面的传递路径分别从动力总成和路面激励两个出发点进行了分析，红色标出的是有隔振元件的零件，其中悬置系统（Powertrain Mount）就处在从动力总成到车身的关键位置，所以在怠速的时候，主要的隔振就是悬置系统在起作用。
这里分别用蓝色和黄色标出了两个路径，蓝色我想说明动力总成的隔振，而黄色我想说明从路面传递到动力总成的激励。
因此悬置系统的作用很主要的两个，一个是隔离动力总成到车身的振动，另外一个就是衰减路面到动力总成的激励。
上图是底盘在振动传递的各个路径上的隔振元件，主要就是包括悬置系统，进排气吊耳，底盘衬套等。
这里也可以简单给悬置系统下一个定义：连接动力总成与车身或副车架的弹性金属元件。属于NVH和VD的调试零件。
因此从NVH出发谈到悬置系统来看，悬置系统在整车中，无论是动力总成隔振还是路面激励隔振都起着非常大的作用。
4.隔振理论
之前谈到悬置主要用于NVH隔振，那么我们需要看一下隔振的基本理论，在这个基础上才能更好的对悬置系统进行设计。
隔振理论大家都已经非常熟悉，这里只主要说两点，一个是隔振目标，另一个是隔振曲线。
我们经常谈到隔振，都知道是隔离振动，那么在数学表示上是什么呢？其实就是传递函数越小越好，即激励力经过隔振系统传递到隔振端的力越小越好。
基于传递函数的公式，就画出了一个隔振曲线。这个曲线非常重要，是隔振的核心基础。我们把传递函数大于1的区域叫做共振区，把传递函数小于1的区域叫隔振区。
从曲线可以看到，当激励频率大于固有频率√2倍的时候，此时系统处于隔振区。当激励频率小于固有频率√2倍的时候，处于共振区，而且当两个频率一样的时候，共振幅值达到最大。
这个曲线得出了悬置系统设计的基本原则：
当系统处于隔振区时，阻尼越小，隔振效果越好；
当系统处于共振区时，阻尼越大，隔振效果越好。
5.悬置系统模态设计
在有了前面隔振原理的基础之后，我们需要判断整车的一些激励的频率范围，这样才能设计悬置系统的模态范围。
上图列举了传统燃油车各种激励的频率范围，之前也提到在怠速时，是最需要悬置起隔振作用的时候。而怠速抖动（这里指传统燃油车）的频率范围在20HZ左右，这个主要取决于发动机的怠速转速。
而悬置系统起作用的区域我用红色虚线标出，至于为什么会到600多HZ，这里主要是考虑到了悬置支架的设计（悬置支架一阶模态一般大于600HZ）引起的一些共振问题。
因此，结合之前谈到的人体对振动的感知和整车的各个系统以及激励的频率范围来看，悬置系统的模态要高于人体的模态敏感区（4-8HZ），同时要小于怠速抖动的激励频率的1/1.414，所以悬置理论的模态区间就处于9~13HZ之间。
这就是为什么一般悬置系统的6自由度解耦模态，其中两个比较重要的方向：上下（Bounce）和俯仰（Pitch）的模态范围一般定义在9-13HZ的范围的原因。
6.结语
本次主要从整车NVH的角度出发，从根源谈到的悬置系统的隔振。这里面激励主要还是从传统的燃油车考虑。这次只是一个简单的开头，对悬置系统设计的模态控制进行了介绍。上面的主要内容只是从我自己的角度对悬置系统的理解。在以后，会进一步就悬置系统的详细东西和大家进行交流。当然也会就电动车的悬置系统特点和大家交流。
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