商用車NVH技術(shù)研究現(xiàn)狀和面臨噪聲法規(guī)挑戰(zhàn)

黃森 王淼 史季青

（陜西汽車集團(tuán)技術(shù)中心，西安 710200）

主題詞：NVH 商用車 法規(guī)

1 引言

車輛的NVH是指在車輛工作條件下乘員感受到的噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）和聲振粗糙度（Harshness）。NVH已經(jīng)成為體現(xiàn)各大廠商產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要指標(biāo)之一，也是年輕一代消費(fèi)者購(gòu)車的主要關(guān)注點(diǎn)之一[1]。商用車的商品性評(píng)價(jià)包括11項(xiàng)指標(biāo)（圖1），汽車涉及到NVH的要素是安全舒適，NVH是商用車商品性的重要指標(biāo)。研發(fā)高質(zhì)量的NVH性能是主機(jī)廠提升商用車商品力的重要舉措之一。本文針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外商用車整車、關(guān)鍵子系統(tǒng)的NVH水平進(jìn)行綜述，對(duì)商用車NVH技術(shù)的發(fā)展、研究方法、未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行論述，為國(guó)內(nèi)商用車開(kāi)展NVH技術(shù)創(chuàng)新提供必要的信息和參考。

2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

NVH包括對(duì)噪聲和振動(dòng)的兩方面研究?jī)?nèi)容。噪聲主要體現(xiàn)在聲品質(zhì)的考核，所謂聲品質(zhì)已經(jīng)超出單純用聲壓級(jí)來(lái)體現(xiàn)噪聲水平，更多的是從心理聲學(xué)的角度進(jìn)行考察。與此同時(shí)，振動(dòng)的控制也將更多結(jié)合身體對(duì)振動(dòng)的敏感性去設(shè)計(jì)，考慮人體對(duì)頻率的適應(yīng)性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)無(wú)論是傳統(tǒng)汽車或新能源汽車，NVH的“聲&振”品質(zhì)作為商品性的重要要素之一，將是NVH先進(jìn)技術(shù)的最終體現(xiàn)，這不僅僅涉及到底盤和車身的NVH性能集成技術(shù)，還涉及到與智能控制結(jié)合起來(lái)的主動(dòng)聲-振控制技術(shù)的應(yīng)用。對(duì)組成整車的各個(gè)子系統(tǒng)的NVH性能提出了新的挑戰(zhàn)。

圖1 商品性評(píng)價(jià)要素

2.1 子系統(tǒng)的NVH水平

對(duì)于傳統(tǒng)汽車來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎的噪聲需要進(jìn)一步優(yōu)化[2-4]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)重卡發(fā)動(dòng)機(jī)的1米噪聲水平普遍較差，聲壓級(jí)基本在97～100 dB（A）之間，變速器的加載噪聲聲壓級(jí)在90～92 dB（A）之間，卡車輪胎的聲壓級(jí)基本在85～90 dB（A）之間[2]。相比歐盟相關(guān)產(chǎn)品在噪聲水平上有3～5 dB（A）的差距。從振動(dòng)的角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)商用車80 km/h綜合加權(quán)加速度振級(jí)在120 dB（A）左右，這與國(guó)外先進(jìn)水平有7 dB(A)的差距，這不僅僅是振動(dòng)量級(jí)的差異，更會(huì)影響駕駛員的身心健康和整車零部件的疲勞壽命。要縮小差距，就必須要求國(guó)內(nèi)零部件廠商加快發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎、電機(jī)等關(guān)鍵部件的NVH性能提升技術(shù)研發(fā)工作。同時(shí)整車廠在給發(fā)動(dòng)機(jī)廠、變速器廠、輪胎廠、電機(jī)生產(chǎn)商提更嚴(yán)格的NVH指標(biāo)要求的同時(shí)，進(jìn)一步提升自身的NVH性能集成與性能優(yōu)化的能力。

2.2 設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前商用車的NVH性能集成考慮的還不夠全面，NVH正向開(kāi)發(fā)流程和指標(biāo)分解體系還不完整。車身和底盤在正向開(kāi)發(fā)中往往忽略了集成后的NVH性能，各個(gè)子系統(tǒng)在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中單獨(dú)開(kāi)展的NVH仿真結(jié)果和設(shè)置試驗(yàn)邊界條件與實(shí)車差距較大，導(dǎo)致NVH性能集成后與預(yù)期差異較大。另外，車身和底盤開(kāi)展輕量化的同時(shí)忽略NVH集成后的NVH性能，導(dǎo)致輕量化后實(shí)車發(fā)生很多NVH問(wèn)題。聲學(xué)包的開(kāi)發(fā)工作同樣需要考慮隔聲性能與輕量化的平衡。商用車在車身開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)聲學(xué)包、風(fēng)噪、路噪分析技術(shù)的應(yīng)用還不夠。開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)在起步、加速、制動(dòng)等非穩(wěn)態(tài)工況的振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象還沒(méi)有進(jìn)行實(shí)質(zhì)的測(cè)試和仿真研究，對(duì)已有的車型沒(méi)有形成NVH數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)NVH正向開(kāi)發(fā)的流程中缺少對(duì)關(guān)鍵NVH部件和設(shè)計(jì)的審查工作，模態(tài)的管理和匹配還只停留在對(duì)模態(tài)的評(píng)價(jià)上，模態(tài)導(dǎo)致的整車振動(dòng)后果預(yù)測(cè)上沒(méi)有很多積累?；谲囕v主要振動(dòng)噪聲源的特性以及外場(chǎng)建立基本上以靜止穩(wěn)態(tài)聲源為主，車輛通過(guò)性噪聲的預(yù)測(cè)模型還有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。近年來(lái)，隨著新能源汽車投入市場(chǎng)的力度越來(lái)越大，新能源汽車的NVH特性有待進(jìn)一步研究，如電機(jī)、電子系統(tǒng)與電池噪聲的相關(guān)研究和解決方法需要盡快開(kāi)展，電力電子系統(tǒng)的高頻噪聲雖然總體聲壓級(jí)不大，但是高頻聲引起的“心理煩躁”要比傳統(tǒng)車嚴(yán)重，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車在結(jié)構(gòu)上的差異，給NVH設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，與傳統(tǒng)車NVH設(shè)計(jì)相比在解決思路和方法上有本質(zhì)區(qū)別。

2.3 軟硬件設(shè)備

當(dāng)前國(guó)內(nèi)企業(yè)中NVH的測(cè)試設(shè)備和軟件情況是比較樂(lè)觀的，很多廠家都建立了相應(yīng)的NVH試驗(yàn)室和NVH仿真團(tuán)隊(duì)，總體來(lái)說(shuō)乘用車在軟硬件上走在前列，商用車的NVH研發(fā)還沒(méi)有上升到一定高度，也沒(méi)有引起商用車設(shè)計(jì)廠商的重視。消聲室、混響室、模態(tài)試驗(yàn)室、聲品質(zhì)分析試驗(yàn)室、整車異響(Buzz、Squeak、Rattle,BSR)分析室、保壓密封、吸隔聲測(cè)試等NVH開(kāi)發(fā)所必須的試驗(yàn)?zāi)芰εc國(guó)際先進(jìn)水平差距較大。NVH的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和振動(dòng)噪聲仿真軟件基本被國(guó)外壟斷，目前主流的測(cè)試系統(tǒng)主要有比利時(shí)LMS、丹麥B&K、德國(guó)Head系統(tǒng)。主流的噪聲分析軟件有LMS virtual lab、VA one等，國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的NVH軟硬件產(chǎn)品基本上無(wú)法與國(guó)外相抗衡。

3 噪聲法規(guī)挑戰(zhàn)

20世紀(jì)60～70年代，國(guó)際上各主要汽車公司開(kāi)始逐步重視NVH設(shè)計(jì)，2003年以后，國(guó)內(nèi)乘用車企業(yè)逐漸有了NVH設(shè)計(jì)的概念，開(kāi)始逐步從國(guó)外引進(jìn)NVH專家，打造自己的NVH團(tuán)隊(duì)。相比乘用車，商用車由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)環(huán)境的影響，整體NVH設(shè)計(jì)水平普遍較低，還不具備完整的NVH正向開(kāi)發(fā)和整車NVH性能集成的能力。國(guó)內(nèi)商用車車企要走出去，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，必須面對(duì)比國(guó)內(nèi)更嚴(yán)格的NVH相關(guān)法規(guī)限制，表1和表2給出了不同時(shí)期歐盟對(duì)乘用車和商用車（載貨和載客車）的通過(guò)噪聲的限制要求，表 1可知1970年的82 dB（A）到1995年的74 dB（A），噪聲降低了8 dB（A）。相比歐盟美國(guó)的乘用車的通過(guò)性噪聲限制是78 dB（A）。2016下半年開(kāi)始，在歐盟逐步實(shí)行新的汽車降噪標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)歐盟UN ECE R51.03車外噪聲限制草案，未來(lái)歐盟銷售的普通轎車的通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)將由現(xiàn)在的74 dB（A）降低到68 dB（A），12 t以上重型貨車從80 dB（A）降低到79 dB（A），見(jiàn)表3。以中重型卡車為例，歐美商用車的怠速車內(nèi)噪聲為55 dB（A）左右，我國(guó)本土商用車往往在60 dB（A）左右。80 km/h勻速行駛時(shí)，國(guó)外中重卡的車內(nèi)噪聲基本上控制在68 dB（A）以內(nèi)，國(guó)內(nèi)基本上在70 dB（A）左右。通過(guò)性噪聲國(guó)內(nèi)卡車基本84～86 dB（A）左右，國(guó)外相應(yīng)產(chǎn)品在80 d（A）左右，從數(shù)據(jù)上看，當(dāng)前商用車的NVH開(kāi)發(fā)水平與國(guó)外的差距是比較大的。

表1 歐盟不同年代汽車通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)（乘用車）

表2 歐盟不同年代汽車通過(guò)噪聲標(biāo)準(zhǔn)（商用車）

自2000年開(kāi)始在歐洲,日本等地的企業(yè)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)的共同努力下，UN ECE推出了新的加速行駛車外噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)UN ECE R51.03系列[5-8]，并確定于2016年7月1日正式實(shí)施。2007年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也推出了新的汽車加速行駛車外噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)ISO 362-1:2007取代了原來(lái)的ISO 362-1:1998。

UN ECE R51.03標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)（表3）限值共分3個(gè)階段，第1階段2016年7月1日正式實(shí)施；第2階段于2020年7月1日實(shí)施(N2類車輛延后至2022年7月1日)，第3階段限值2024年7月1日實(shí)施(N2、N3和M3延后至2026年7月1日)。

表3 UN ECE R51.03車外噪聲限值草案

UN ECE R51.03的整個(gè)車外噪聲限值以功率為亞分類依據(jù)，即功率越大車外噪聲限值越大。國(guó)內(nèi)商用車如果按照UN ECE R51.03法規(guī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，基本不滿足歐盟法規(guī)要求。

與此同時(shí)中國(guó)汽車技術(shù)研究中心也對(duì)GB 1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》進(jìn)行了修訂,現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的征求意見(jiàn)稿2017年已經(jīng)發(fā)布[9]。新國(guó)標(biāo)給出了第三、四階段的噪聲限值。具體如表4所示。新標(biāo)準(zhǔn)第三階段從2020年7月1日起開(kāi)始執(zhí)行，第四階段自2023年7月1日起執(zhí)行。由于中國(guó)與日本，歐洲在貨車領(lǐng)域NVH水平差距較大，新標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行必將推動(dòng)整車及各自系統(tǒng)新的技術(shù)改進(jìn)，商用車，特別是載貨汽車，在推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步降噪的同時(shí)，要進(jìn)一步控制變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、輪胎的噪聲水平。

表4 GB 1495汽車加速行駛車外噪聲限值（修訂）[9]

4 商用車的NVH開(kāi)發(fā)的幾點(diǎn)建議

通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外商用車NVH開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）企業(yè)要進(jìn)一步完善自身的NVH開(kāi)發(fā)流程和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，打造專家隊(duì)伍，提升自身的NVH測(cè)試和仿真分析能力，進(jìn)一步掌握噪聲、振動(dòng)控制的核心技術(shù)。

（2）對(duì)于商用車生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，全面對(duì)標(biāo)，掌握競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的振動(dòng)噪聲水平。構(gòu)建NVH數(shù)據(jù)庫(kù)，包括指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)、材料數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)鍵系統(tǒng)供應(yīng)商產(chǎn)品NVH驗(yàn)收和質(zhì)量跟蹤數(shù)據(jù)庫(kù)，掌握整車和各子系統(tǒng)的NVH指標(biāo)正向分解和集成技術(shù)，汽車生產(chǎn)商應(yīng)該執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)全面提升自身的NVH整車性能集成能力。

（3）整車廠要對(duì)零部件企業(yè)提出更嚴(yán)格的NVH指標(biāo)。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎等零部件企業(yè)要加快創(chuàng)新步伐，全面提升產(chǎn)品的NVH性能。

（4）新能源汽車而言，要關(guān)注電機(jī)、電力電子系統(tǒng)、燃料電池離心壓縮機(jī)、聲學(xué)包的NVH研究。

（5）NVH設(shè)計(jì)人員培養(yǎng)要走仿真和測(cè)試結(jié)合的道路，測(cè)試人員要具備一定仿真能力，仿真人員也要具備一定測(cè)試能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

日益嚴(yán)苛的國(guó)內(nèi)外噪聲法規(guī)給國(guó)內(nèi)汽車廠商提出更大的挑戰(zhàn)，特別是新能源商用車的快速發(fā)展，為商用車研發(fā)提出了新的課題，面對(duì)傳統(tǒng)商用車噪聲法規(guī)的挑戰(zhàn)和不斷出現(xiàn)的新課題，國(guó)內(nèi)車企要積極應(yīng)對(duì)，加大研發(fā)投入，走創(chuàng)新發(fā)展的道路，讓中國(guó)的汽車工業(yè)從量變走向質(zhì)變，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)從中國(guó)制造轉(zhuǎn)變?yōu)橹袊?guó)智造。