车辆使用过程中出现的NVH问题

图1 世界主要国家对汽车噪声限值控制

我国于2002年分别修订国家强制性标准GB 16170-1996《汽车定置噪声限值》和GB1495-2002《汽车加速行驶外噪声限值及测量方法》，国内新车噪声限值如图2所示。这个强制性国家标准的制修订一方面是结合国内汽车产品技术的实际情况，同时也重视与国际先进汽车标准法规相协调和衔接。

图2 我国对汽车噪声控制限值

在汽车领域内，通常用NVH(Noise Vibration Harshness)来描述汽车噪声、振动及汽车的乘坐舒适性问题，根据相关资料统计，汽车大约三分之一的故障是由汽车 NVH 问题引起的，由于汽车的 NVH 问题日益严重突出及其危害性大，因此，汽车制造公司为达到控制噪声限值的要求，在汽车的研发、制造阶段投入了大量费用来改善并提高整车的 NVH 性能问题，为汽车使用舒适性提供了很好的保证。本文主要阐述的是针对车辆使用过程中出现的NVH问题，如何以振动与噪声的基本理论为指导，认真查找产生振动与噪声的振源，然后进行了定性定量分析，制定准确判断和快捷修理NVH故障的方法。

一、汽车NVH概念

1.NVH定义

汽车NVH是指汽车的噪声振动和不舒适性。主要是研究汽车振动和噪声对整车性能和舒适性的影响。

N-Noise：指的是噪声。一台运转的发动机或一辆行驶中的汽车会发出各种不同的声音，判断这些声音是否是异响(Noise)，取决于它们实际声压、频率们以及人们的感知。通常，异响是一种不恰当的、令人不愉快的或过度嘈杂的声音。这些嘈杂的声音不但增加驾驶员和乘员的疲劳,影响汽车的行驶安全，而且增加环境噪声污染。

V-Vibration：指的是振动。振动描述的是系统位移状态的参量在其基准值上下交替变化的过程。汽车低频振动不仅危害驾驶员和乘员的身体健康,同时不良的振动还会给汽车零部件带来损坏,影响零部件的寿命。车辆或发动机工作时产生不同的振动(Vibration)量。比如：方向盘上下振动，使得驾驶员的手震颤；座椅晃动，给乘坐人带来不适的振动感。此外，还有换挡杆或加速踏板颤动等现象。如同判定噪音是否是异响一样，出现的振动是否属于异常，取决于振动是在哪里发生的以及如何发生的。振动与噪声的研究是密不可分的。振动是噪声产生的原因。

H-Harshness：指的是乘座不舒适性，即声振粗糙度。反映的是振动和噪声的品质。它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念,而是描述人体对振动和噪声的主观感觉,不能直接用客观测量方法来直接度量。由于声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒服的瞬态响应,又被称为冲击特性或不平顺性的危害。如轮胎受到强烈冲击而产生的单独的、瞬间的振动，仿佛就像有人拿着大锤在猛力击打轮胎。这种振动会传给方向盘和地板。

2.振动与噪声特征

我们用手、脚及身体体验振动；用耳朵感受声音。但是，由于每个人的感官差异，所以即使声音和振动同时出现，有人可以同时感受到二者，有人却只能感受到其中之一，还有人感受不到任何东西。从本质上讲，声音和振动是一回事，声音不过是空气的一种振动，二者均是波，当然，由于波的频率不同或发生变化，有时波以声音形式被我们感觉到，有时则以振动形式被我们感觉到。简言之，究竟是听到声音还是感到振动，取决于波的频率。人所能听到的声音的频率范围为20Hz-20kHz,低于或高于此频率范围的声音都不能被听到。一个振动即使蕴含有很高能量，但假如其频率不在上述范围内，仍无法像“声音”那样被人耳听到，如图3所示人的声音和振动的感觉。人耳的听范围受声音频率的影响。即使dB值相同，不同频率的声音就它们的响度而言听上去也是不一样的。一般说来，频率较低或较高的声音可听度差，尤其是较低的频率情况更是这样。如图4表示声压强度与声音频率关系所示，500Hz的声音在A点可被听到，但100Hz的声音则在B点听到，而50Hz的声音只在C点听到。作为有一种车辆的噪声，在100Hz以下的“隆隆”噪声则几乎听不到，然而，它的振动能量是大的，因此这种“隆隆”噪声也被感觉到是一种振动，同时伴有令人不舒服的噪声。在图4中最低听觉水平的实线表示具有很好听力的人的最低听觉水平。普通人的听觉平均值用虚线表示。

图3 听觉对声音和振动的感觉

图4 声压强度与声音频率关系

3.振动与噪声的产生

如上所述，振动描述的是物体(系统)位移状态的参量在其基准值(平衡位置)上下交替变化(往复运动)的过程。一切有质量及弹性的物体都具有振动的性质。例如机械在工作中或工程结构在使用中都会产生不同程度的振动与噪声现象，且都有不同的特色。振动系统可用相似的力学模型来描述，质量块、弹簧和阻尼器是振动系统的三个主要组件，质量块具有惯性的力学模型；弹簧通常不计质量，具有弹性的模型，能够储存能量；阻尼器既不具有惯性，也不具有弹性，它对运动产生阻力，是耗能组件。振动系统的输入与输出关系，如图5所示。

系统所受的激振力、初始位移、初始速度等称为输入或激励；系统在输入下所产生的输出成为系统的响应。当一个物体(质量块以下称为刚体)被弹簧约束正在做往复运动，则该刚体的振动被称为刚性振动，如图6所示。

图5 振动原理框图

图6 刚性振动示意图

通常这个刚体有它自身的固有振动频率，如下表达式：

在刚性振动中，如果一外来振动力(激振力)的频率与刚体的固有振动频率相等，则共振将发生，并进而会使刚体的振动得到极大加强。如图7所示，激振力通过马达上的曲柄加到弹簧和重锤上，重锤会上下移动。当频率(马达转数)低的时候，重锤运动振幅较小；频率增大时，振幅逐渐增大；当增大到一个较高的频率时振幅在一个特定的频率(马达的转数与重锤的固有频率相等)上时达到最大。这就是共振状态，在这种状态时的频率叫做共振点；如果频率继续增大，超过了共振点，振幅就开始逐渐减小。

图7 物体共振发生原理

对于汽车来说，为了研究汽车车身振动分析方便，由汽车舒适性的振动模型(地面不平给行驶的车辆输入激振力，引起车身质量的垂直、俯仰、侧倾运动以及4个车轮质量的垂直运动的响应，整车形成共7个自由度)简化而来的车身单质量振动系统的模型如图8所示。由此可以看出,车身(刚体m)、悬架弹簧(弹簧k)、减振器(阻尼C)组成了车身有阻尼振动系统。

图8 车身单质量振动系统的模型

当类似于用手指拉琴弦，琴弦产生连续的振动叫做弹性振动，如图9所示。

图9 弹性振动发生示意图

图10 弹性振动中多阶共振示意图

对于汽车而言，振动频率低的时候，可以将车身看作一个既不会变形，也不会弯曲的刚体。但是当车身在某一特殊外力激振时，产生诸如“车身摇动”之类的问题时，就不能将车身仅仅认为是刚体了，而应将其视为会产生弯曲/扭曲等变形的弹性振动元件了。因为车身由悬架、悬架弹簧轮胎支撑着。在弹性振动中，存在一个以上的共振点。以拨动琴弦为例。当拨动琴弦时，振动以各种不同的频率发生，如图10中所示，各点峰值可以被认为是弦的一系列共振点。若施加不同频率振动力时，振动会在每一个共振点上变大。如图11所示例如在某个车速范围内，轮胎不平衡会增大车身的振动，不平衡的传动轴会引起“隆隆”噪声。

图11 车辆轮胎、传动轴不平衡产生振动与噪声

在振动系统中即使有能够产生振动的组件，但如果没有某种外力激励，那么振动仍然不会发生。一个迫使振动组件发生振动的外力就是激振力。对于汽车来说，典型的激振力(振源)主要有：

(1)发动机燃烧压力或输出扭矩波动；

(2)轮胎不平衡；

(3)粗糙的车辆行驶路面；

(4)传动轴动平衡不良或传动轴万向节夹角的因素；

(5)变速器或差速器齿轮啮合问题；

(6)离合器或制动器接合/分离问题。

发动机燃烧压力的波动会导致曲轴输出扭矩波动，这种扭矩波动进而被传到传动系；同时，它又作为一种反力作用在发动机缸体上，引起发动机振动。例如：四缸发动机每转一周出现两次扭矩波动，属二阶振动(振动频率=转数×2)；六缸发动机每转一周出现三次扭矩波动，属三阶振动(振动频率=转数×3)；每一转发生n次的振动叫做n阶振动。将n乘以转数便可以计算出振动的频率。由于发动机结构的限制，这种扭矩波动是不可避免的，但发动机汽缸数越多或转速高，可以减少这种波动。总之，振动频率越高，振幅就越小，二阶以上振动可以忽略不计，而一阶振动形式占整个振动的70%以上，是振动的主要来源。

振动的表示方法一般用振幅“大、小”或频率“高、低”来表示，如图12所示。

图12 振幅表示振动大小示意图

它的快慢程度用频率表示。即使振幅相同，通常因频率不同而对振动的感觉不同，所以，车辆振动的幅度常用加速度单位表示， 振幅、频率、加速度关系如图13所示。

图13 振动系统表示振幅、频率、加速度关系

如果方向盘在旋转方向上大约1cm的振幅内振动，而且频率是低的，那么方向盘的颤动缓慢，手感到的是小的，它加速度是小的。在同样的情况下，如果频率随车速增加变大，方向盘的振动变快，手感到的振动是大的，加速度也是大的。因此，即使振幅相同，频率越高，加速度变得越大。如果频率相同，振幅越大，加速度也变得越大。

噪声可以用振动相同的方法声波的振动幅度和频率来表示，如图14所示。如果振幅变大，噪声声音变；，如果频率变高，噪声的音调变高；如果声波的形状不同，音色就会不同。噪声的音调可以用频率来表示，但是噪声的声压大小是感觉上的东西，因此，不能只用振幅(声音的能量)来表示，必需使用各种校正而引入声压级单位dB，来表示噪声在听觉上的感受。如图15所示各种噪声程度对应的环境。

图14 声波振幅与频率关系示意图

图15 不同噪声程度对应的环境 （未完待续）

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审核编辑 ：李倩