利用最新NVH仿真工具分析电动汽车噪声

寂静回声

作者：Lindsay Brooke
本文原发表于SAE《汽车工程》杂志


在 FEV 公司的消声室中，一部电动汽车驱动装置正在进行 NVH 分析。通常来说，汽车驱动装置的电磁和齿轮噪声时常让开发人员无比抓狂。
对汽车工程师来说，除了面临如火如荼的汽车电气化转型所带来的新挑战之外，噪声、振动与声振粗糙度（NVH）等“老冤家”也并未走远。
在过去十年中，汽车行业凭借新的工具和知识成功解决了内燃机汽车的NVH 挑战，大幅降低了最后关口“紧急修补”的必要性。
然而，这些成果从另一方面同时提高了人们对电动汽车和混合动力汽车噪声水平的期望。
而值得注意的是，电动推进系统的噪声问题本来就比内燃机车型更难解决。


电动汽车客户在吐槽车辆噪声时总是毫不吝啬。
2020 年初，在一个特斯拉车主的在线论坛上，一篇针对“车内噪声评论”的帖子显示，车主对特斯拉在“车内噪声”这一重要汽车衡量指标方面的表现明显不满。以下摘选几个例子：


一位特斯拉 Model 3 的车主写道，“今天，我上 I-15S 公路开了一辆驾驶雷克萨斯 ES 350，这辆车要比特斯拉 Model 3
更安静。”这位车主用分贝仪分别测量了两辆汽车的噪声情况。对比来说，在这条洲际公路上，特斯拉时速70 英里（112.6 公里）的噪声水平为 74
dBA，但雷克萨斯在同等条件下的噪声水平仅为 67 dBA，明显更安静。


一位奥迪的前车主表示：“这辆车 [特斯拉 Model3] 绝对比我以前的 A7 更吵，甚至我都不敢开到时速 110 公里（68
英里）以上。要知道，我平时可是经常开到时速 160 公里（100 英里）的人。更糟糕的是，只要开到时速 110 公里以上，你就别指望用 Spotify 或Tunein 听任何古典音乐了，你根本听不见，把音乐音量调高只会让情况更糟糕。”


一位来自德克萨斯州的特斯拉车主承认：“没错，Model 3 确实比我之前的那辆车更吵，特别是在道路条件不好的情况下。虽然 Model 3采用了‘静音’轮胎，但它还是比我妻子的讴歌RDX 和我女儿的奔驰 C300 更吵。”


事实上，这些情况并不是 Model 3 或特斯拉独有的，所有的电动汽车均面临同样的情况。

Kean Govindswamy 指出，FEV 的汽车行业基准工作可以支持公司全面开展 NVH 开发工作。
FEV 北美公司传动系统开发、车辆工程和 NVH 副总裁 Kiran Govindswamy 表示，“尽管电动汽车的整体噪声更低，但面临的 NVH
挑战却更严峻。他说，“电动汽车没有嗡嗡作响的内燃发动机作掩护，因此车内的任何噪声都能听到，很容易引起关注。其中，很大一部分是风声和道路噪音。目前，NVH工程方面的工作重点是平衡车辆的动力总成、风声和道路噪声的频率。”


NVH性能是评估车辆质量的关键指标之一，也是电动汽车的重要特征之一。电动推进系统在启动阶段和低速巡航阶段的精致体验是哪怕最顺滑的内燃发动机都无法媲美的。通常，当电动汽车高速运转的情况，车辆的宽带噪音并不高，主要以纯音为主。但随着转速不断拉升，这种声音就会变成恼人的高频噪声。此外，车辆逆变器在10,000 Hz频率附近工作时也会发出高频噪声。


对此，工程仿真解决方案制造商 Ansys 公司 Physics 业务部首席产品经理 Marius Rosu表示，“对于电动汽车研发工程师来说，车辆的电机噪声是个大问题。在各种电机速度下，NVH 都无法避免，这不仅可能导致车辆疲劳受损，而且还会给车上人员带来不适。”


电动汽车推进系统的噪声包括来自牵引电机的电磁噪声或来自动能回收（regen）模式下的发电机噪声。“齿轮传动系统也是一样，总是吱吱作响，”Govindswamy指出，“这是轴和轴承之间摩擦的机械噪声，而且也是汽车厂商创造车辆标志性声音的位置。”


此外，电动汽车驱动单元还有一些其他的噪声，即通常可以隐藏在内燃机车型中的暖通空调（HVAC）噪音，包括电动热泵循环的声音，甚至还有车辆在停止时冷却剂在电池组中晃动的声音，这些声音用户都能听到。对此，工程人员必须进行特殊设计，保证这些系统的工作噪声都不能超过车辆本身的噪声标准。


专家们表示，工程师可以通过结合使用有限元和多车身系统仿真工具，在组件、系统及整车层面进行优化。这些工具可以帮助工程师分析轮系的动力学、轴偏转、外壳结构件以及驱动单元中的电磁力分布情况，从而避免了搭建原型所需的时间和成本，可以极大地便利工程师的降噪、降振工作。


NVH 是一种平衡的艺术：举个例子，你的重点应该是精益求精地调整齿轮的尺寸，从而减少噪声源头的噪声？还是应该专注于驱动单元结构的敏感度，从而使其尽量不要放大进入车舱内和外部世界的噪声？此外，当下，汽车行业为了提高燃油经济性而普遍采用轻质化设计，这也会让车辆更加容易受到NVH 的影响。


“你必须在架构设计和声学包装研发方面大胆创新，比如精准调整动力总成和悬挂的安装位置等。”FEV 公司的 Govindswamy表示，“你必须找到一个最佳的安装点，从而最大限度地减少车内设计对噪声的放大效果，”进而控制车辆的 NVH水平。


达索系统的 SIMULIA 仿真工具套件旨在帮助工程师直观地观察各种与风声和道路噪声有关的NVH 源和路径，从而优化车内的噪声环境。


电动汽车厂商对控制车辆 NVH的迫切需求催生了一个非常活跃的专业供应商领域：仿真工具提供商。
这些提供商已经有针对性的推出了数十个经过验证的仿真工具集，其中最受欢迎的是可以深入研究潜在噪声根本原因的跨学科套装。


位于密歇根州沃特福德市的 Kolano & Saha 联合创始人兼首席顾问 Pranhab Saha 观察到：“针对 NVH的软件工具往往是基于边界元素、统计能量和气体流动工作的，每个工具都有频率范围的限制。”正因为如此，他说，工程师们已经在各种工具之间建立了“桥梁”，通过配合使用这些工具，从而在更广泛的频率范围内准确预测频率响应情况。


“例如，NVH 声学包装材料通常工作在中高频段，所以这些材料制造商通常会选择统计能量分析工具，”Saha解释说，“但是，往往存在在较低频率范围中的轮胎腔噪音呢？此时，统计能量分析模型可能就无法发挥作用了，我们必须搭配其他软件工具，从而拓展可以进行准确预测的频率范围。”


举个例子，电机中的磁力水平是机械和声学分析的关键输入量之一，也是准确预测 NVH 的第一步。对此，比如 Ansys就可以提供一种模拟电机噪声的模拟工具，可以模拟电机气隙内磁力引起的电机噪声。Rosu 表示，不同平台之间的数据可以通用，比如来自 Ansys Maxwell的瞬态电磁仿真平台可以创建和测试数字原型，其输出结果则可以直接作为 Ansys Mechanical 平台的输入资料，继续完成谐波振动分析。


Rosu 解释说，“在之前的版本中，我们的软件仅可以生成单个工作点的声谱，但如今已经可以连续在多个速度点上生成声谱，实现所谓的多转速仿真。”


Maxwell 工具还提供了一些仿真模版，支持自动化模拟。在进行模拟时，工程师可能只需要指定一些电机的典型参数，比如相数、极数、插槽、材料、电机尺寸、线圈间距等，后续
Maxwell 工具即可自动生成电机设计。（Maxwell 还允许直接导入外壳和电机型号参数。) Rosu 表示，“Maxwell 可以模拟电机在不同速度、电流、功率、扭矩等各种条件下的工作情况，帮助研发人员更好地了解电机的电磁性能以及机器运行过程中产生的磁力情况。”


在此之后，工程人员还可以将 Maxwell 的输出结果直接输入 Ansys VRXPERIENCE Sound工具，继续用于合成和评估电机噪声及其对人类感知的影响。通过结合使用 Maxwell、Mechanical 和 VRXPERIENCE Sound等多种跨学科工具，工程人员可以得到电机的声学特性音频文件，帮助工程师听到电机在不同转速下的声音。Rosu说：“有了电机的完整声学资料，电气和机械工程师就可以更有针对性的进行设计变更，从而降低控制 NVH 并同时满足电气性能。”

Ansys 的 NVH 工具平台包括 Maxwell、Motion、MAPDL 和 Dyna等多个系列，旨在简化开发人员的工作流程，可以以更简洁的方式解决各个频段内的振动声学问题，并减少所需的原型迭代数量。


SIMULIA 套装让你尽早上手
开发工程师认为，电动汽车开发最大的两个挑战是 NVH
和风/轮胎噪音和振动。“内燃发动机车辆也一直都有道路噪声，但道路噪音和发动机内部的一些噪声的频率一致，因此不那么明显。”Saha表示，“电动汽车中本来就没有轰轰作响的内燃机作掩护，因此任何轮胎/路面噪音都变得更加明显。”


对此，轮胎公司正在开发更安静的轮胎，在轮胎结构中增加更多的弹性和阻尼，来减少辐射噪音。不过，如果静音轮胎还是不能达到车辆的降噪目标时，那车辆原始设备制造就不得不在车内添加更多加固衬料或声学包装材料，进而增加了车辆的重量和设计复杂度。“自从无内胎轮胎问世来，轮胎腔噪音的问题从未真正解决。”Saha指出，“对于电动汽车来说，安静的轮胎更为重要。为了解决 250 到 300 Hz
附近的腔体噪音问题，轮胎厂商已经在轮胎内部进行了大量工作，目的只有一个：尽量降低轮胎的腔体噪音。”


Saha 和其他专家断言，最好的NVH 解决方案一定是从系统层面出发的。达索系统技术总监 Siva Senthooran表示：“我们可以在组件级别对各个组件进行 NVH 优化，但问题是当这些经过优化的组件一下子全部放在一起时，往往无法达到客户的NVH 要求。


达索系统的 SIMULIA 系列可以提供最全面的 NVH 模拟工具箱。SIMULIA 系列工具箱允许工程师在整个设计过程中，尽可能早地着手进行 NVH分析，甚至不用等到原型准备好以后。它解决了两个关键问题：噪声源和噪声路径。Senthooran说，SIMULIA 中的 PowerFLOW套件可以“预测风在车辆周围的流动，以及其将以何种噪声形式进入车舱”。此外，CST 工具也可以用于处理电磁噪声源；达索系统的 Simpack产品可以预测多体系统产生的力；Abaqus 适用于中低频振动和声学结构耦合方面的模拟；Wave6 可以解决宽频率范围内的噪声传输和辐射路径。


为了分析风噪声，NVH 工程师需要一个真实的外部形状，但粘土模型不适合这种类型的研究，所以团队必须等待声学质量原型就位。“PowerACOUSTICS 设计工具是 PowerFLOW 套件的一部分，主要用于车辆细节尚未最后敲定的早期设计阶段，可以帮助工程师了解不同结构可能会传递多少噪声。”Senthooran解释说，“有了PowerACOUSTICS工具，您就可以真实地预测车上人员未来将在车内听到什么。”这样一来，原型设计一旦就位，工程师可以立马着手进行优化。“那时，工程师们已经找到了设计中的大部分问题。”Senthooran说，“当快到表面设计冻结阶段时，工程师将可以直观地观察到有关 NVH 的问题，并与工作室合作提出解决方案。”


轮胎制造商、电动汽车工程师和仿真工具提供商也在重新审视轮胎的腔内噪声问题以及轮胎与路面之间的摩擦噪声问题。


顶级 NVH 数据库，支持电动汽车开发


当被问及哪家供应商的何种产品在他的 NVH 工作中发挥了“奠基性”作用时，一位来自底特律三大汽车巨头的电动汽车研发工程师回答到，“FEV 公司的 NVH 数据库。”


作为一家全车工程服务提供商，FEV 会定期为整个汽车行业的新车进行 NVH 性能基准测试，并将测试结果加入一个目前已经涵盖超过 600款车型和发动机的专有的数据库中，允许客户灵活地使用超过 100 多个指标，用于制定零部件、系统和车辆开发计划的目标。


FEV 的工程师会基于数据库中的数据，为各种指标生成生成“散点图”，展示整个汽车行业目前在该指标方面的表现。Govindswamy解释说：“各种指标都可以生成散点图，比如发动机或驱动单元的辐射噪声、安装件的隔绝性能或车辆的声学灵敏度功能。”


“NVH 数据库让我们能够帮助客户找准他们的产品在 CAE
和开发测试中的位置，从而更好地支持工作。”Govindswamy说，“你们是业内最好的产品吗？中间档次？还是仍有改进的余地？通过找准自己的位置，从而作出更好的开发决策，这是我们工作的核心。”