基于电动汽车的NVH性能优化研究

基于电动汽车的NVH性能优化研究

强雪茹

长城汽车股份有限公司

河北省保定市 071000

摘要：伴随经济发展，人们的生活水平提高、汽车的人均持有量上涨，能源紧缺问题、环境污染问题和噪声污染问题日趋严重。因此，环保节能的纯电动汽车越来越受到广大消费者的青睐，其中汽车的噪声、振动和声震粗糙度（简称“NVH”）是影响驾乘感受的重要因素之一。本文以纯电动汽车为例，运用 ANSYS、NASTRAN 等软件建立铝合金金车身的有限元模型，对车身的模态、噪声和声控进行有限元计算、分析和评价，提出有效的改进措施和方案，旨在为后续的纯电动汽车车身的优化设计提供有益借鉴。

关键词：纯电动汽车；有限元；模态；NVH

前言：近些年来，汽车行业发展迅速，汽车产量日益扩大，随着而来的能源紧缺问题、环境污染问题日趋严重。众所周知，汽车车身重量的大小，是影响着燃油的消耗量的重要指标之一。为有效的缓解因汽车的迅速发展带来的资源环境问题，一方面国家能源战略大力推动电动汽车发展以替代传统汽油燃料汽车，缓解能源压力；另外一方面行业内广泛采用质地轻、强度大和可回收性强的铝合金材料应用于车身设计，以此来减低车身的重量，进而降低电力的消耗、提高整车续驶里程。于此同时，因为电动汽车没有了燃油发动机的运行噪音，消费者更容易直接感受到车身等其他部件的噪声、振动和声震粗糙度（简称“NVH”）。汽车的车身是整车的重要组成部分，要想控制车身的振动噪声应在研发设计阶段就开始，使其达到良好的效果。本文以某品牌的纯电动汽车为例，运用CAE技术对纯电动汽车的车身NVH进行优化设计，准确预测和评价纯电动汽车的NVH，有效降低汽车的噪声和振动，减低了纯电动汽车的开发成本，从而有利于提高我国新能源电动汽车的核心竞争力。

1、车身有限元模型建立和NVH分析

运用 ANSYS 软件处理纯电动汽车的车身，用网格质量标准检查和处理建成的车身有限元模型。车身有限元单元个数为883560，节点的个数为773968，四边形的单元个数为875262， 占总数的99. 06%，车身质量为295. 6千克，与传统的汽车车身质量比较而言减轻了88. 68千克。

1.1车身模态分析

通过车身模态的分析，可以有效的优化车身的结构，有效降低车身共振，降低车身的振动和噪声。本文利用NASTRAN软件对车身模型进行模态计算和分析，将研究对象定义为前

10阶柔性模态，并计算前10阶柔性模态值。限于本文篇幅1阶段到10阶模态频率数据未列示。对于纯电动汽车来说，车内的噪声源主要包括四个方面，第一种是车内电机动力总成噪声，第二种是车内电池风扇噪声，第三种是车外空气流动导致的噪声，第四种是因车轮与外面不平整路面导致的车体共振产生的噪声。通常情况下，车轮与外部路面共振产生的频率低于20赫兹，车身一阶固有的频率值为27. 53赫兹，不会产生共振的问题。但是一阶固有频率大于一阶扭转模态目标值29赫兹，研究过程中提出优化方案为弯曲的刚度调整为每毫米12620N，扭转刚度由调整前的9350调整为12358，一阶的固有频率由调整前的27. 63调整到29. 02赫兹，一阶弯曲频率由调整前的27. 75提高为30. 98赫兹，车身质量由调整前的 295. 6千克调整为307. 4千克。

1.2噪声分析

噪声的分析可以采用噪声传递函数进行分析， 该函数可以诊断共振的频率点和响应量， 可以有效验证车身的设计是否可以克服共振或者疲劳的缺点，为提高纯电动汽车车身的NVH 性能提供改进的目标。研究中设定在20赫兹至200赫兹之间在纯电动汽车车身选取激励点， 激励点的个数设定为16个，并计算安装点的声压曲线，得出驾驶员、副驾驶员、后排两位乘员耳旁的声压曲线。通过分析安装点的声压曲线，得出在76. 58赫兹的位置最高的声压级为67. 25分贝，大于60分贝值，需要采用方案进行优化设计，如在每个前座椅的下面添加沥青阻尼的板材，并且在车身后面特别的灵敏度较高的位置增加焊点，并加强螺旋弹簧支座，采用这种方式进行优化，显著改善了振动传递相应函数的曲线，经过测算驾驶员、副驾驶以及后排右侧乘员声压曲线全部低于60分贝，有效降低了最高峰处的声压级，满足了设计的要求。

1.3车身声控分析

因电动汽车的车体结构属于弹性薄壁腔体，主要得噪声源分为内部的低频轰鸣噪声和外部的辐射噪声，这些噪声严重影响了驾驶员驾驶汽车和乘客乘车的舒适感。因此，需要对车室空腔进行模态分析来掌控纯电动汽车车内声厂的主要分布，并采取有效措施来降低噪声的污染，满足驾驶员和乘客对车辆舒适感的需求。建立纯电动汽车三维有限元模型，封闭处理车身结构的有限元模型，增加了相关部件如挡风玻璃、座椅、仪表台等等。在纯电动汽车车内环境处于理想状态下设置模态参数，利用模态提取算法得出10个阶次的频率和振型，计算结果参见表1。

表1 10阶声学频率和振型计算结果

从上述计算结果可知，第一阶振型为纵向一阶，频率为70. 2赫兹，声压出现在零声压节面出现在声腔的中间部位，即在前排驾驶员座椅的头部位置，这样的方式对纯电动汽车是有利的，第一阶横向声压频率为125. 9赫兹，声压出现在前端位置处向上端逐渐递减，并且最小值出现在后排座椅的位置。垂直方向一阶的频率为150. 4赫兹，纵向声压和垂向声压同时出现，并且声压较小的位置出现在前排座椅和后排座椅的头部位置。其余的声腔模态基本上是以组合的形式出现。通过上述分析，从阶次1到阶次10处的声压模态振型全部满足了设计的需求，并且在前排座椅和后排座椅的头部位置均没有出现声压高的现象。

结语：本文通过设计纯电动汽车铝合金车身的NVH分析流程，在设计阶段利用ANSYS软件对纯电动汽车车身的模态、噪声和声控进行有限元计算、分析和评价， 对纯电动汽车车身NVH进行优化，提高了汽车车身的刚度，降低了汽车车身的噪声，为纯电动汽车NVH性能后续研究提供有益借鉴。

参考文献：

[1]曹勇，乐玉汉，姚泽胜，等.基于NVH性能的电动汽车车身模态匹配与优化[J].上海汽车.

[2]徐兴，左燕群.低速电动汽车NVH性能测试与分析[J].重庆交通大学学报：自然科学版，.

[3]沃德.海伦.史蒂芬.拉门兹.波尔.萨斯.模态分析理论与实验[M].白化同，译.北京：北京理工大学出版社.

[4]常振臣，王登峰，周淑辉，等.车内噪声控制技术研究现状及展望[J].吉林大学学报.