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傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)汽車的核心區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)源由發(fā)動(dòng)機(jī)切換成了電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)很容易成為新的噪音源，原因有兩個(gè)：

• 在非正弦供電的情況，電機(jī)存在高頻電磁力成分，極易形成電磁噪音，通過(guò)輻射和結(jié)構(gòu)傳播，在駕駛室內(nèi)形成復(fù)雜的混響。

• 電動(dòng)汽車追求輕量化，高功率密度，不但電機(jī)質(zhì)量和剛度變小，車架、后橋等都比傳統(tǒng)汽車要輕，因此更容易激起大的振動(dòng)響應(yīng)。

兩種汽車雖然振源不一樣，但振動(dòng)傳遞方式、動(dòng)力學(xué)機(jī)理是一樣的，因此如何降低電動(dòng)汽車的噪音和振動(dòng)，同樣可以系統(tǒng)性的借鑒傳統(tǒng)汽車的前輩的思路和方法。在汽車界這里有個(gè)專門的說(shuō)法叫NVH工程即Noise（噪聲）、Vibration（振動(dòng)）和Harshness（聲振粗糙度，也可以通俗地理解為不平順性），今天要學(xué)習(xí)的就是NVH前輩們是如何解決問(wèn)題的。

傳統(tǒng)汽車的噪音來(lái)源有三種，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)噪音、空氣噪音、路面噪音，其中發(fā)動(dòng)機(jī)噪音是核心來(lái)源，對(duì)它的處理方法和電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)噪音非常類似，因此也是最值得我們借鑒的。

車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源

 

 

 

抑制噪音振動(dòng)的三支箭

傳統(tǒng)汽車NVH前輩們解決發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的方法有很多，總結(jié)來(lái)講有三大類方法：

 

1、從源頭減振法

和電機(jī)一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)是一種復(fù)雜噪音來(lái)源。它主要成分是機(jī)械噪音，是由不平衡慣性力引起的振動(dòng)和噪音。從戰(zhàn)略角度而言，把敵人消滅在搖籃里是最佳策略。

 

 

從源頭上解決機(jī)械的方法有：

 

(1) 多缸串聯(lián)法

 

雖然每個(gè)活塞沖擊力是不均勻的，但通過(guò)不同相位的活塞串聯(lián)，達(dá)到總出軸的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大體上是均勻的。這種思想就相當(dāng)于電機(jī)行業(yè)的斜極斜槽、多單元電機(jī)。按這個(gè)思路出發(fā)，多相電機(jī)、軸向串聯(lián)單元電機(jī)都是可以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)從而降低噪音。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)也在追求減少每個(gè)活塞的力的沖擊，包括減小活塞間隙，因?yàn)殚g隙會(huì)導(dǎo)致活塞的偏離力學(xué)中心，從而形成不平衡的力，任何不平衡的力都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。這一點(diǎn)電機(jī)也可以借鑒，電機(jī)存在理論上的旋轉(zhuǎn)中心，這個(gè)中心是電機(jī)的力學(xué)中心，電機(jī)的出軸旋轉(zhuǎn)間隙，不均勻的電磁力都會(huì)導(dǎo)致力學(xué)中心偏移，就相當(dāng)于活塞的間隙，當(dāng)然是越小越好。

 

(2) 框架拓?fù)鋬?yōu)化法

 

如果說(shuō)減小間隙是會(huì)產(chǎn)生更高的工藝要求，受制于制造水平，令人敬佩的是，發(fā)動(dòng)機(jī)的前輩們尋求到了另外一種解決方法，就是框架拓?fù)鋬?yōu)化法。其核心思想是通過(guò)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減小發(fā)動(dòng)機(jī)框架結(jié)構(gòu)受不平衡力激勵(lì)下的響應(yīng)。下圖就是某款發(fā)動(dòng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。相比較之下，電機(jī)人就該有點(diǎn)愧懺，因?yàn)殡姍C(jī)的機(jī)殼、端蓋等支撐結(jié)構(gòu)，幾乎就沒(méi)有認(rèn)真的做過(guò)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。因此優(yōu)化電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、減小振動(dòng)響應(yīng)是很重要的一個(gè)研究方向。

拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是改善機(jī)殼的頻率響應(yīng)函數(shù)，具體的方法有：

 

• 改善質(zhì)量分布法；

   

• 改善結(jié)構(gòu)具體位置剛度法；

   

• 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的阻尼特性等等，相比較我們傳統(tǒng)的方法，豐富了很多。

 

2、隔振抑振法

徹底消滅振源可是天方夜譚，因此，如何將振動(dòng)噪音消滅在傳播途中便成了議題，NVH工程師們花費(fèi)了大量的心血用在了這場(chǎng)狙擊戰(zhàn)上。

 

(1) 加阻尼懸置或阻尼聯(lián)結(jié)

 

 

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置模型

 

橡膠懸置的力學(xué)模型坐標(biāo)

 

如上圖所示，NVH們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)的和機(jī)架的接觸位置放置了阻尼器，用以將振動(dòng)隔絕在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。阻尼能夠起到抑制振動(dòng)的效果，抑制的好壞用傳遞率來(lái)衡量，傳遞率為100%意味著不起阻尼作用。好的阻尼設(shè)計(jì)能夠?qū)鬟f率降到30%以下，也就是說(shuō)大部分的振動(dòng)被狙擊掉了。

 

但阻尼有一個(gè)問(wèn)題，就是一種材料對(duì)低頻的阻尼效果好，對(duì)高頻就不好，反之亦然。也就是說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)在低速和高速不能兼顧情況。這相當(dāng)于狙擊戰(zhàn)上，要么只能打步兵，要么只能打坦克。這沒(méi)有難倒NVH們，他們又發(fā)展出了液固混合阻尼，磁流阻尼。前一種阻尼能夠在很寬的頻率下，都能起到很好的效果；后一種阻尼不但有此優(yōu)點(diǎn)，更能夠用電流來(lái)控制阻尼效果和阻尼頻率。這就帶來(lái)了一項(xiàng)主動(dòng)阻尼的效果，可以根據(jù)不同的頻率、強(qiáng)度，針對(duì)性的調(diào)整阻尼參數(shù)，這就相當(dāng)于能夠靈活的調(diào)整火力配置和強(qiáng)度。當(dāng)然這種阻尼材料一般用在豪華轎車上。

左：零磁場(chǎng)下的磁流變液；（右）強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁流變液

不同磁場(chǎng)下材料的黏度不一樣

 

除了在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上安裝阻尼材料，減少發(fā)動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)部分振動(dòng)的輸出。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分也可以設(shè)置阻尼材料，達(dá)到隔振的效果。

 

(2) 減振皮帶輪

 

減振皮帶輪是由一夾在皮帶輪和軸套間的橡膠隔振板構(gòu)成的（見(jiàn)下圖）。當(dāng)曲軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩減振器與之同步轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)，這個(gè)減振器會(huì)使橡膠隔振板扭轉(zhuǎn)，以保持現(xiàn)有轉(zhuǎn)速，吸收了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

隔振和消振的策略是有效的，也是值得電機(jī)人學(xué)習(xí)的。車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子系統(tǒng)要么是法蘭安裝、要么是底座安裝，可以嘗試采用適當(dāng)?shù)淖枘岵牧蟻?lái)作過(guò)渡，但這會(huì)引起對(duì)中精度的下降。對(duì)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，一般都采用齒輪或花鍵直接剛性連接，也可以采用柔性連接過(guò)渡。比如現(xiàn)在開(kāi)始興起的磁性連軸器，就是一種非接觸連接，靠電磁傳遞將力傳遞到齒輪側(cè)，而且這種方法對(duì)中容差很大，有利于在定子側(cè)安裝阻尼材料。

 

 

3、消音吸音法

如果說(shuō)即沒(méi)有把振動(dòng)消滅在搖籃里，也沒(méi)有狙擊在路徑上，那么現(xiàn)在只有最后一道防線了，那就是不要讓振動(dòng)變現(xiàn)成噪音。在車體內(nèi)設(shè)置吸音材料，在主要噪音源處設(shè)置消音結(jié)構(gòu)。如何設(shè)置吸音材料不用我們考慮，市場(chǎng)上有大量的吸音棉，吸引復(fù)合板、吸引鍍層材料可供選擇。對(duì)于電機(jī)表面發(fā)出的高頻電磁噪音，可以用包裹吸音材料的方法加以抑制。

 

 

 

(1) 主動(dòng)消音法

 

設(shè)想很簡(jiǎn)單，就是在管道中安裝一個(gè)傳感器提取聲學(xué)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)控制器產(chǎn)生一個(gè)大小與管道聲壓幅值相等、相位相反的聲信號(hào)，來(lái)抵消管道中的聲音，如下圖。

這種手段再結(jié)合控制算法，就能夠創(chuàng)造出一個(gè)相當(dāng)安靜的駕駛空間，即便振動(dòng)很大。

 

(2) 全車系統(tǒng)頻率管理

 

在NVH工程師們的三支箭外，我還看到了一些更底層也更基礎(chǔ)的方法。比如全車系統(tǒng)頻率管理，這是一種更系統(tǒng)性的方法。就是將車體的主要部件的固有頻率、響應(yīng)函數(shù)、阻尼系數(shù)、振源的頻譜特性都作為管理要素，這樣就可以動(dòng)態(tài)預(yù)判共振風(fēng)險(xiǎn)，如果在期間加入一些可控的響應(yīng)元件，比如說(shuō)磁流阻尼、主動(dòng)消音元件；在行駛過(guò)程中，通過(guò)主動(dòng)調(diào)整避開(kāi)或快速通過(guò)共振頻率帶。這種方法和理念看的我目瞪口呆，太先進(jìn)了。不過(guò)也給我?guī)?lái)的啟示，電機(jī)本身就是一個(gè)可控的元件，在遇到共振點(diǎn)時(shí)，電機(jī)人有更便捷的方法快速越過(guò)共振點(diǎn)，比如跳頻技術(shù)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，這一點(diǎn)傳統(tǒng)汽車就沒(méi)有這種便利，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)更難控制。

 

 

總 結(jié)

在知乎上，汽車工程師們自嘲 NVH是門玄學(xué),博大精深。通過(guò)對(duì)玄學(xué)的速覽，發(fā)現(xiàn)了自己是地道的井底之蛙。在我們洋洋得意的曬仿真圖片:”看我把機(jī)殼的固有頻率算出來(lái)了”時(shí)。NVH工程師早就把頻率、阻尼、傳遞函數(shù)玩膩了，在此基礎(chǔ)長(zhǎng)，發(fā)展出了完整的方法論體系和工具體系比如：被動(dòng)減振、主動(dòng)減振、被動(dòng)消音、主動(dòng)消音、動(dòng)態(tài)阻尼調(diào)整、局部剛度優(yōu)化、質(zhì)量分布優(yōu)化等等，無(wú)論在高度還是深度上都領(lǐng)先我們一代認(rèn)知。