现代轿车研发中的振动与声学工程PPT课件

.,1,作者：董显铨2006.10尚未发表请勿引用,现代轿车研发中的振动与声学工程,.,2,目录,从1981年使用LMS的第一个模态分析软件说起顾客对轿车性能的需求以及轿车研发中的技术目标现今轿车的噪声振动状况与技术要求轿车振动与声学工程概要整车的振动与声学问题子系统及部件振动与声学问题解决振动与声学问题的方法学解决噪声与振动问题的案例,.,3,从1981年使用LMS的第一个模态分析软件说起,.,4,1981年LMS公司开发出第一个模态分析软件包。相应的硬件是HP-5451C。成功地用于解决材料冲击实验机的振动干扰问题并将衰减该振动的方法申报并获得德国发明专利。因此本人获德国工学博士。1985年中国计量科学院振动实验室购买LMS模态分析软件。1990年宝马汽车公司研发中心的噪声及振动中心模态实验室全部更换为LMS系统。2004年建议建设集团添置LMS系统。用于解决摩托车的振动舒适度的问题。,.,5,2.顾客对轿车性能的需求以及轿车研发中的技术目标,.,6,总体考虑,购买经济型轿车的顾客购车时的心理历程,-几何尺寸(大小)造型与内饰配置人机工学,经济性,车价及附加费用油耗维修网点与成本二手车价,性能,安全性驾驶乐趣-动力性-操纵性-舒适性,车身为主,.,7,性能的内涵,主要是六大性能:,性能,总体功能,经济性,舒适性,操纵性,动力性,安全性,.,8,一级性能图,车身,安全性,动力性,操纵性,舒适性,经济性,.,9,主观判断的尺度,目前在德国及欧洲所采用的评判尺度为十等评判等级红绿灯判据10.有训练的人无法感觉到9.有训练的人能感觉到8.个别人感觉轻微7.所有人感觉轻微6.部分人感到受干扰5.所有人感到受干扰4.所有人认为是问题3.所有人认为是严重问题2.几乎不能容忍1.绝对不能容忍,界限,.,10,舒适性,舒适性(二级),噪声,振动,.,11,噪声,噪声(三级),.,12,振动,振动(三级),.,13,振动与噪声舒适度虽然不是最主要的性能，但往往是投诉率最高的。,目前国产车（所谓具有自主产权的）与引进的车型最主要的性能差异之一就在于内噪声过高，造成投诉率位于最高之列。以A级轿车为例，引进车型的怠速噪声为38-43分贝，而国产车则为43-50分贝，甚至达53分贝。尤其是开空调时。,.,14,汽车研发过程中的历程,（安全，乐趣，舒适）,（功能与质量）,（四大工艺与配件）,可制造性,可使用性,性能,.,15,大约有关的零、部件200,外噪声,内噪声,振动舒适性,其他有关要求:-驾驶动力学-主动安全性-被动安全性-空调舒适度,性价重比,成本,排放,振动/噪声是整车研发目标的一个重要组成部分-寻找目标冲突的合理折衷,.,16,3.现今轿车的噪声振动状况与技术要求,.,17,外噪声：环保的要求,降低对城市的噪声干扰国家环保标准的规定内噪声：降低声暴露，改善疲劳保证注意力（对其它交通信号的感知能力）减小对乘员间通话的干扰度振动：改善振动疲劳提高可承受度决不发生疲劳断裂,.,18,现今状况,.,19,3.1内噪声的现今状况,目前尚无工业标准可循，但有共同认可的统计尺度（经济型轿车的下限参考值）：参考值怠速时3750dB4550Km/h5563dB60100Km/h6371dB68120Km/h6574dB72-离散带每十年向下平移5dB,“冒尖者”日益减少,.,20,.,21,3.2振动的现今状况,目前现有的工业标准GB-T49970-96等关于汽车平顺性的行驶试验方法要求但并不严格，况且与实际的主观驾驶感觉有相当的差距。所以目前仍依主观驾评的结果作为判断标准.主要考查以下方面:-整车-子系统/部件所引发的振动问题。,.,22,整车,车身有关高速时整车不明显共振（最高车速内）车身-弹簧的刚体模振动怠速时座位的振动减震系统有关不同波纹路况下的减振不同路坎下的减振其它,.,23,子系统/部件,驾驶盘振动（扭转或抖动）干扰性的松动（盖，窗等的抖动）因发动机-支承刚体模引发的晃动,.,24,瞬态工况,因油门迅变而引起剧烈的冲击晃动启动与关车时激发的抖动,.,25,噪声判断的复杂性,不是简单的“dBa-车速”曲线能概括一切，声平不能完全描述人受到的噪声困扰度，除此以外还应有：频率成分噪声类型持续时间和概率声平的浮动脉冲的含量声强等等,.,26,4.轿车振动与声学工程概要,.,27,4.1基本问题4.2振动与声学工程的任务4.3基本现象4.4系统的物理模型4.5解决问题的方法学,.,28,4.1基本问题,-满足日益增强的振动与声学舒适度的要求-解决与其他方面目标（经济和技术）的冲突独立的振动与声学任务及相应的专业部门,.,29,4.2振动与声学工程的任务,制定整车/子系统/部件的性能指标（技术方案阶段）整车的振动与声学“调校”以及测试与评价（设计/验证阶段）排除噪声及振动干扰（投产启动阶段与售后服务）通过对振源，传输路径和系统性能分析，对问题进行确诊并提出排除方法,.,30,4.3基本现象,2.3.1基本的振动现象2.3.2基本的噪声现象2.3.3基本的激振源2.3.4基本的传播方式,.,31,4.3.1基本的振动现象-低频段,现象原因频率范围(Hz)-车体（俯仰/摇摆/浮动）车身-弹簧的刚体模17发动机晃动发动机-支承的刚体模530车轮浮动一阶共振1218车身共振一阶整体弹性模2030驾驶盘摆抖共振2540,.,32,低频振动种种,llll05101520频率(Hz)（车轮一阶）ll70140车速(Km/h),车体-弹簧,人-座位,车体-轮胎,车轮-轮胎,发动机-变速箱,车身整体,驾驶盘-杆,引擎-变速箱/排气管,.,33,基本振动现象（中频段）,现象原因频率范围(Hz)-车厢共鸣一阶空腔共振6090曲轴共振扭转共振180700发动机/变速箱共振一阶弯曲共振200-300,.,34,4.3.2基本的噪声现象-发动机为主因,现象阶次频率（Hz)-发动机的燃烧及惯性力引发(4缸)220200(6缸)330300(8缸)1.515150发动机/变速箱弯曲共振2/3150-300,.,35,基本的噪声现象-其它原因,现象阶次频率（Hz)-风声（气动噪声）轮胎/路面滚动1，35-100,.,36,4.3.3基本的激振源,激励源阶次频率范围(Hz)-车轮动不平衡1535315100发动机(4缸)220200(6缸)330300(8缸)1.515150齿轮啮合925502500轮胎纹301001252000,.,37,4.3.4基本的传播方式,空气声通过声辐射进入车厢内，被人感知。固体声（大约在500Hz以下）通过与车身的连接点引发车身振动，经辐射被人感知。,.,38,产生内噪声的两种传播方式-以发动机做为激振源为例,空气声,固体声,.,39,发动机/变速箱系统,空气声,声洞,声学空腔,钣金件,悬置/连接件,固体声,.,40,4.4系统的物理模型,输入输出内燃机空气声/固体声上百种噪声振动现象旋转的车轮的振动各种工作状态（包括错误驾驶）,系统复杂的分布参数系统大量的非线性阻尼相当多的力学及力声放大器,.,41,力学系统（具有若干力学放大器）,力声系统（具有若干力声放大器）,输入,输出,激振,振动/噪声,系统,声激励,固体声,空气声,.,42,5.整车的振动和声学问题,.,43,5.1新品的目标大纲5.2整车的声学性能目标5.3整车的振动性能目标,.,44,5.2整车的声学性能的目标,工况衡量值测试条件挡位-慢加速声压级/车速及频谱路测最高挡滑行/风声声压级/车速路测空挡风声声压级及频谱风洞开车怠速声压级及频谱消声室空挡*测点为司机，副司机及右后座成员的临窗耳*慢加速至200Km/h*滑行/风声测量时的参考速度为150Km/h,.,45,5.3整车的振动性能的目标,一阶整车共振频率一阶弯曲共振频率一阶扭转共振频率座椅加速度怠速时的座椅加速度（5-30Hz)其它没有明显的局部共振以及由此引发的其它整车共振,.,46,6.子系统及部件的振动与声学问题,.,47,6.1车身的振动与声学性能的规定6.2发动机的振动与声学性能的规定6.3传动系的振动与声学性能的规定6.4行走系的振动与声学性能的规定6.5部件的振动与声学性能的规定,.,48,6.1车身的振动与声学性能的规定,a.白车身的振动性能的规定-动刚度一阶整体弯曲共振频率一阶整体扭转共振频率-静刚度其他振动特性规定-重要钣件的弯曲共振频率不在空腔谐振区内（60-85Hz）-重要支承点处（车身一侧）的驱动点阻抗,.,49,b.在整车条件下-内噪声（在消声风洞内关车条件下测试）风噪车底风声-其他声学特性隔声（在混响室内关车的条件下测试）空腔阻尼系数(0.1),.,50,6.2发动机的振动与声学性能规定,a.单独发动机-噪声慢加速声压级/转数自由场消声室-振动曲轴的弯曲，扭转及轴向共振附件的共振b.在整车条件下-内噪声（空挡）慢加速声压级/转数消声室-振动转数的不稳定性（不同的负荷条件下）,.,51,6.5部件的振动与声学问题,.,52,变速箱振动与声学规定,声学性能的规定物理量指标测量位置-内噪声总噪声与变速箱噪声之差车内固体声变速箱支承处的加速度值变速箱传输率变速箱支承两侧加速度之比变速箱,.,53,7.解决振动与声学问题的方法学,.,54,7.1噪声与振动问题的特殊性7.2解决问题的方法学7.3实验技术7.4计算模拟,.,55,7.1噪声与振动问题的特殊性,离散性：轿车的主要性能（加速，最大速度，油耗等）的离散度约0.5-3.0%;而内噪声的离散度可达数倍，即10分贝。不确定性:部件的噪声降低或升高带给整车的贡献有时却是相反的解决措施的有效性常常因车而异紧迫性投产前，问题集中暴露，而且自由度不大投产后，往往成为投诉焦点之一,.,56,7.2解决振动与声学问题的基本思路和方法,.,57,信号分析,问题识别,结构动力学分析,模型识别,结构动力学修正,结构优化,信号处理特征分析工作振型分析声辐射图,激振(阶次和幅度值信号特征谐振,模态分析有限元分析,实验/解析模型特征频率振型模态阻尼薄弱环节分析,灵敏度分析基于实验模态的结构修正FEM模型的优化系统综合,问题获解?,是,终止,现象学,因果学,黑白实验验证,否,.,58,7.3实验技术,7.3.1实验的基本任务7.3.2确定实验室方案的要素7.3.3振动实验室7.3.4声学试验室7.3.5其它实验室7.3.6测量与分析技术,.,59,做好实验的三大因素,一是必要的实验台架二是分析工具（相应的CAE软件）三是实验工程师的经验，而他所应具备的知识结构-振动与声学-结构动力学-实验与测量/分析技术-汽车工程学-路试驾评的能力,.,60,7.3.1实验的基本任务-被检对象，测量值和实验台的基本关系-,被检对象测量值实验台,整车,部件,材料,内噪声,固体声,外噪声,声功率,声阻尼,声吸收,声泄漏,自由场,半自由场,混响室,.,61,7.3.2确定实验室方案的要素,总成/部件与振动/声学现象的相关关系振动/声学现象与实验台架的相关关系实验台架与测量分析技术的相关关系,.,62,Ca.60,100,Ca.200,项目工程师,实验工程师,设计师,台架,部件,现象,台架,测量/分析,不同任务需要相应的专家,.,63,7.3.6测量与分析技术,工作状态分析/信号分析,系统识别/模态分析,车身/整车,发动机/传动系,完整的知识体系,.,64,信号分析,测试方法优点缺点-3-D-综观整体-只是定性-可确认突出的阶-及相应的转速区-可辨认发动机与变速箱的相互作用Averaged-可准确确定阶-幅值取决于所选转速Order-可知与相邻阶的相对幅值-区间Spectrum-只是定性-无转速信息Peak-准确的最大值-无平均效果Hold-定量-无转速信息Order-认定阶准确地与转速的关系-无法分辨发动机变速箱的相互作用,.,65,3D-图,3D图,.,66,.,67,传递函数的分析,测试方法优点缺点-FRF-加速度/力-了解机械阻抗-加速度/加速度-了解传输率,.,68,7.4计算模拟,车内空腔谐振排气管的振动（弯曲与扭转）动力系的部分结构的特征振动发动机/变速箱总成万向轴后桥曲轴扭转振动（带动态吸振器）整个动力系的特征振动（弯曲与扭转）轴系的特征振动,.,69,实验与计算混合模拟,动力系计算发动机激振力建立有限元模型，传递函数矩阵由上计算振动矢量测量支承的刚度测量车身输入力测量车身的力声传递函数综合（力声传递函数*传递函数矩阵*激振力）-声响应车身,.,70,8.解决噪声与振动问题的案例,.,71,8.1诊断方法,实验方法对象台架测量值/目的-分离法整车转鼓声压级（确定干扰源）逐个分离连接支承全部分离后逐个连接支承传递函数法白车身振动台支承点的阻抗测量全息术分析外覆件/白车身振动台全息图（确定共振频率/振型）声强法清空的整车转鼓声强（声能的产生/吸收）声穿透率法特定的钣件混响室声压级,.,72,8.2解决措施,主动减小激振调整系统的模态（比如：共振频率）被动阻塞传输路径（阻振，阻声及吸声）减缓共振（交错不开）减小响应（动态吸振器）,.,73,调整系统的模态,目的：将共振频率移出激振频率范围实施方法：原理性的增大动刚度,.,74,动态吸振器,目的：将不可避免的共振能量转移到动态吸振器实施方法：将动态