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NVH问题解答手册
NVH问题解答手册
奇瑞商研院整车技术部施善编写,2009-8-30(草稿)
第一章NVH问题介绍及分类
第二章NVH问题解答流程及详细步骤
第三章发动机NVH振源和控制
第四章傳动轴NVH振源和控制
第五章齿轮NVH振源和控制
第六章轮胎NVH振源和控制
第七章排气NVH振源和控制
第八章制动系NVH振源和控制
第九章转向系NVH振源和控制
第十章悬架系NVH振源和控制
第十一章车身NVH振源和控制
第十二章数据表及参考资料
引言
鉴于商研院项目需要,决定聚团队力量编写一本汽车NVH问题解答手册,写手册的目的是为了工作上的便利,手册不是万灵药,而是工具。
它不但提醒工程师方向和有效的问题解答步骤,也提供一个永无止境,不断做技术提升的平台。
在编写初稿的短短数星期中,我们用P11及H13实际的NVH问题解答为依据来验证我们手册中所谈的方法。
我们在2009年7,8月份每周有商研院整车技术部NVH小组讨论,参与者:
陈昊、任丽丽、张承志(P11)、夏洪兵(S16)、翟挺、江迎春(A13)、郭森龙、潘龙(T11)、骆涛和施善。
提供帮助的有贾新建、张宁一和朱南山(H13)。
在这个操练中大家学习到的心得如下:
(1)系统性的全盘考虑对NVH问题解答可省时省力;
(2)以例会形式讨论对各种车辆所属相同的NVH问题了解对NVH问题有触类旁通的效果;(3)对发动机扭转共振的原因和解决方案有较深入的了解;(4)对离合器中减震器的功能开始具体的应用于奇瑞各种车噪音的降低及产品品质的提升;(5)更加明白对悬置的设计需要CAE来主导;(6)对传动轴导致的NVH问题更加了解;(7)对齿轮设计及制造工艺引起的噪音开始正面关注;(8)对理解测试报告中的表格图线作为NVH问题解答的依据有新的体会;(9)具体明白FEA可能用来帮助NVH问题解答;(10)和奇瑞测试中心就NVH问题有比较升级性的共同探讨,与产品设计,性能分析及实验测试三组人员就NVH问题解答及产品质量提升有较强的结合。
当我们编写此手册时由于主要焦点在解决发动机扭转共振以至於无法花相等时间在许多较后章节的NVH问题,但随着时间我们计划将各项问题的讨论搜集完全。
第一章,NVH问题介绍及分类
汽车NVH问题种类很多,有以下几大类别:
(1)来自传动系统,
(2)来自悬架系统,(3)来自制动系统,(4)来自排气系统,(5)来自车身及其他系统。
但往往各系统的问题不是单独存在而是相关的,这也是为何汽车的NVH问题时常不能迅速彻底解决的原因。
举例而言,悬架系统设计直接影响传动系统在车上的布置,最容易理解的是传动轴的长度、支撑点和角度受车架及悬架布置而定,而他们的选定有可能导致NVH噪音问题。
汽车NVH工程师需要密切关注这些设计参数。
另一个挑战是每一个NVH问题发生的原因往往不止一个,所以在解决问题时要把可能的原因一一研究并排除。
举例言之,如果发动机二阶振源导致共振,产生了100Hz的噪音,而车上有两个零部件都有100Hz的自然频率,当我们只消除其中一个共振时,问题并不一定解决,因为另一个可能才是主要的噪音问题。
对于振源是传动系统时的NVH噪音问题的追踪,我们可根据下面3变数瀑布彩图(x轴为频率,y轴为发动机转速,颜色代表噪音强度)为基准来排查(图一)。
图一、三变数瀑布彩图
这个方法对目前商研院的车辆开发相当有用(见本文最后附录:
奇瑞测试中心用的汽车NVH有关项目表,由该表中绿色格子显示,项目中有80%以上的噪音问题来自传动系统相关的振源)。
例如振源是发动机,或传动轴,或变速箱某对齿轮,或分速器中某对齿轮,或后桥齿轮,或进气系,或排气系,或轮胎等,这些问题都和发动机转速有关。
和发动机转速无关的噪音问题有制动器,转向系,电器悬挂系,和轮胎来自地面的噪音等。
凡是和发动机转速有关的噪音问题,在瀑布彩图各座标位置(x=Hz,y=rpm)会被红颜色显示出,我们可以用序号标明进行追踪。
我们还可进一步标明所属振源的振动的第几阶次为问题所在。
例如上面彩图中所示最明显的黄色斜线是发动机为振源的二阶振动,其上红点为噪音高峰所在。
我们的重要任务是鉴定每个红点是车上那个部件或那个系统被发动机振源二阶振动击中而生共振。
做NVH问题解答时我们需要有“产品知识”来帮助,举例而言,我们要知道4气缸4冲程的发动机会有以二阶为主的振动,也会有四阶或其他阶次振动,这是永远存在的。
而傳动轴可以有一阶(来自傳动轴不平衡)及二阶(来自十字轴万向节及角度设计不良)的振动问题,这傳动轴引起的NVH可能有,但如果傳动轴设计得当就不存在。
此外我们也要搜集资料放在手边帮自己迅速鉴定某个(x=Hz,y=rpm)位置的红点可能由悬置设计不良造成,或是由傳动轴设计不良造成,或是由离合器中的弾簧或阻尼设计不良造成,这是我们写此手册的目的。
上面的讨论针对车上部件或系统的自然频率被振源的某阶次频率击中而生共振,要注意噪音红点除可来自共振外也可来自自振,大家都知道发动机本身会生噪音,这种噪音不是共振而来,齿轮的噪音也是自振而不是共振,轴承或松件的噪音也都是自振。
自振的组件有一特点,就是它的噪音在任何发动机转速都有且随转速增大而增大。
当我们量噪音制作瀑布彩图时需注意量的位置及用的设备要一致,不同变速箱档的彩图也不同,完全相同时的两张彩图才好做对比。
我们也要注意瀑布彩图并不一定有完整的NVH问题的“指纹”,比如说低频振动就不一定成为噪音。
又如果噪音距麦克凤远些时图上也可能看不见红点。
上面的例子是测试时把麦克凤放在驾驶员的右耳位置,但当我们测量齿轮噪音或排气噪音时麦克凤就要放在离齿轮或排气近的位置,如此量得的彩图和上面的彩图相似但强调的噪音不同。
另一点要说明的是并非所有瀑布彩图的红点都是重要的,再看上图,它来自变速箱3档,这是试车时测量,通常开车不会停留在某一档的。
还有人们通常对发动机在3000Rpm以下的噪音比较敏感,也对尖锐的声音比较敏感,也对忽大忽小的声音比较敏感。
忽大忽小的声音可以来自两种共振的频率很靠近时。
第二章,NVH问题解答流程及详细步骤
以下阐述利用这种瀑布彩图解决NVH问题的步骤,在这个示范中我们可以理解NVH问题可以依系统作业来解决:
(I)确定振源,(Ⅱ)定明各部件及各系统的自然频率,(Ⅲ)鉴定有无共振,及(IV)解决NVH的方案:
I确定振源:
用麦克风或者人工头测试车上的噪音,同时记录发动机的转速
制成3变数图(瀑布图)
取瀑布图红点坐标位置制定A表
由A表经简单公式计算制出B表,B表提供汽车在各发动机
转速时对应的可能发生的来自发动机或传动轴的振源
重看一次A表和B表,将共同频率的方格勾画出,这些就是噪音问题的振源
图二、NVH问题中鉴定振源的流程
A表
B表
根据噪声瀑布图读的红点处数据
对应发动机、传动轴三档自然频率(例如三档速比1.436)
发动机频率(HZ)
传动轴频率(HZ)
序号
发动机转速
(rpm/min)
传动轴转速
(rpm/min)
频率(HZ)
二阶
四阶
一阶
二阶
1
2550
1776
82
85
170
30
59
2
2875
2002
97
96
192
34
67
3
3625
2524
120
121
242
42
84
4
3750
2611
148
125
250
44
87
5
4125
2873
270
138
275
48
96
6
4550
3169
150
152
303
53
106
7
5100
3552
167
170
340
59
118
8
5375
3743
220
179
358
63
125
表一、制作A表及B表的例子
例如在彩图中序号为1的位置是发动机转速为2550RPM(y轴),发生的频率是82Hz(x轴),同时我们也计算在变速箱后方传动轴的转速是2550/1.436=1776RPM,依同法我们可以将A表全部填好。
在这个例题中,我们只看4种可能的振源,就是发动机二阶,发动机四阶,传动轴一阶和传动轴二阶。
先看发动机二阶,它对应的频率计算为
,再看传动轴二阶,频率为
,其余类推,这样我们就可将B表填好。
接着,我们比较A表中最右边那列的数值,看看能不能在B表中同一序号下的格子找到相近的数值,在序号1的状况看,82和85是相近的,于是我们就可记下这个彩图上的红点(高噪音)的振源是发动机的二阶。
Ⅱ、定明各部件及各系统的自然频率
注意上面的瀑布彩图只能用来定明振动的振源,如果噪音来自自振则rootcause已找到,但如果噪音来自共振,则我们必须测试汽车各部件及系统的自然频率来定明共振是那处发生的,有两种方法定明自然频率:
(1)、以锤子击打各部件,用加速度传感器及分析仪记录各部件的自然频率值,或则以shaker给系统撞击振动进行扫频,以求系统的自然频率,另外可用应力片量扭转自然频率。
如下表,我们需要广泛搜集车上各部件的参考自然频率。
(2)、用有限元分析求部件的自然频率值,或者用有限元分析求传动系统弯曲及扭转自然频率。
下表中的自然频率是我们最近收集到的,这项工作要继续,将资料依频率顺序排列,供日后参考。
序号
部件名
边界状况
测量的自然频率值
计算的自然频率值
日期
工程师姓名
1
B16转向柱
车上
35,40Hz
Testcenter
2
B16转向盘及CCB
车上
45Hz
Testcenter
3
P11动力系弯曲(一段傳动轴)
车上
79Hz
2009年初
Testcenter
4
P11两段的前段傳动轴
车上,
100hz
2009年5月
Testcenter
5
P11两段的前段傳动轴
车上,换成等速万向节
115hz
2009年8月
Testcenter
6
H13车桥桥壳
Simplysupported
105及630Hz
95-1000
Hz(FEA)有630的
2009年8月
翟挺
7
傳动系统扭转振动
车上
65-90
Hz(FEA)
2009年8月
任丽丽
表二、收集汽车零部件及系统自然频率的例子
Ⅲ、鉴定有无共振
比较Ⅱ处所得各部件及各系统的自然频率与Ⅰ处所得汽车来自发动机或传动轴的振源频率,如果二者结合就能得结论有共振。
Ⅳ、解决NVH的方案:
(1)、将振源的振幅减小,这就是将发动机扭矩降低或在发动机内加多平衡及减振如双质量飞轮,改进齿轮及轴承设计及制造工艺的质量,采取等速万向节,用小的傳动轴角度,降低傳动轴速度,减小傳动轴的长度,做好每个转动部件的动平衡,做好车轮平衡。
(2)在振源及共振体间加阻尼或减振器或隔离,例如发动机悬置的有效设计,离合器内阻尼的加大及加强发动机仓密封。
(3)将发生振动的部件或系统的自然频率升高或降低。
如果是部件往往是加大刚度,如果是系统则往往是将关键部件的刚度降低(一个例子是将动力系统离合器的弹簧刚度调低)。
举例
举例言,下图为P11在2009-7-143档WOT加速行驶时车内噪声分布图(当时用两段传动轴并用等速万向节连接,又加250N/mm的大支架悬置),这张图在前面图一的讨论中已被用过,但当时没有对各红点(1~7)进行讨论。
图三、P11噪音的7个红点
以下对P113档WOT工况车内红点显示的噪声进行分析:
1)①号位置噪声分析:
此位置对应频率为82.255Hz,对应发
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