摩托车NVH技术研究

NVH 技术包括噪声、振动与舒适性，它是衡量制造质量的一个综合性问题。摩托车简小轻便，机动性强，易于操纵，用户经常乘骑在人群密集区域，由于其发动机转速高，产生的噪声比较大，辐射到周边环境，影响着居民的身心健康和生活环境。进入 21 世纪，各种污染问题日益严重，而噪声污染也逐渐得到社会的重视和关注，尤其是摩托车噪声。为了回应人民关切，国家相关部门更新了摩托车噪声限值 GB 标准，规定发动机排量在 80cc 至 175cc 排量的摩托车加速噪声必须在 78dB 以下。为了满足新的法规要求，各摩托车企业都开始重视摩托车的NVH性能，并把减振降噪研究作为一个重要的课题，不断地提高自主的研发技能和产品的竞争力。

摩托车的NVH水平不仅影响周围的环境，而且也关系到用户的乘骑舒适性，摩托车乘骑舒适性的核心要素是其振动、噪声。如果在产品研发阶段，不考虑摩托车的NVH特性，大规模生产后暴露出的振动噪声问题，解决起来就异常棘手了。为了满足大规模生产需求，控制摩托车振动噪声的方案要在项目立案之初就要提出，并在设计阶段开展各项测算，在样车上进行测试，通过多次的样品改进和试产，满足法规要求后才可进行下一步生产工作。

摩托车的NVH性能与产品质量息息相关，现在国内的摩托车企业虽然认识到了这点，但是对整体振动噪声问题的研究仍停留在引进、借鉴国外研究经验阶段，不肯投入较多经费去展开广泛研究，即使个别企业有所投入，但是研究的深度也不足。为了提高国内摩托车企业的产品开发能力，国家通过加严噪声法规的手段，一方面既满足了环保要求，另一方面激励着各企业开展摩托车减振降噪的研究，不断提高国内摩托车企业的振动噪声整体研究水平，提升产品竞争力，缩小与国外 NVH 技术的差距，在全球摩托车市场占据更多的份额，实现“产品走出去”战略。

摩托车NVH技术路线

摩托车的振动噪声对人的影响较大，是摩托车NVH问题的核心。日本等国家的摩托车设计和生产技术先进，在舒适性分析问题上开发了先进的软硬件。铃木、本田等公司都非常重视摩托车的振动问题，投入了大批的人力物力，初步建立了摩托车人体舒适性的一般准则，哈雷戴维森对于摩托车的声品质研究也已相当深入。我国在这方面还有很大差距，目前基本上还是从振动噪声的传递路径入手解决摩托车的振动噪声问题。

图1所示，为摩托车振动噪声传递路径示意图。

图1 振动噪声传递示意图

振动：由激励源（路面及发动机）产生的振动激励，通过连接系统（减振器器、车轮及发动机悬置点）传递给与连接系统相连的部件，最后通过各种结构的部件传递给人。

噪声：通过3条路径传递，具体来说：1、噪声源（发动机）通过空气直接将辐射噪声传递给人，如发动机燃烧噪声；2、连接系统（减振器、车轮及发动机悬置点）的噪声通过空气传递给人，如轮胎与地面的摩擦噪声，悬置点的冲击声；3、部件振动产生的噪声通过空气传递给人，如油箱振动发出的噪声。

振动问题技术路线

结合摩托车NVH技术路线，首先需要将摩托车振动特性研究纳入到正向开发设计过程中，在设计、试验阶段解决振动偏大问题。振动特性研究路线可参考如下进行。

1

试验分析车体、车架、发动机等主要部件的振动固有值特性。

整车、发动机等现有振动状态分析，考察现有振动特性与频率、发动机转速、振动方向的关系；

进行振动传递路径分析，找出振动传递的主要路径，并结合振动现状分析导致振动严重的主要激励源；

对车架进行试验模态分析，找出车架的固有频率及振型；

通过增减质量块或动力吸振器等措施进行模态修改，预测修改后的模态结果。

2

针对振动固有值特性分析结果，结合振动传递的主要环节进行相应修改。

振动激励源：采取措施降低发动机的振动水平，如加平衡轴；

连结系统：更改减振器或发动机与车架连结的方式、位置等，降低振动激励源通过这些路径传递的能量；

结构传递：更改车架结构，使车架固有振动频率避开激励源的振动频率。

3

通过数学模型对修改结果进行预测。如果预测结果不理想则需要修改解决方案，如果预测结果比较理想则需要加工试制验证。

具体执行路线如图2所示。

图2 摩托车振动分析路线图

噪声问题技术路线

研究摩托车噪声问题技术路线通常包含以下步骤：

确定研究目标。包括车型、目标噪声值等。

现有状态分析。包括声源定位、频谱分析等。

噪声形成原因分析。摩托车噪声按它产生的性质分为：空气动力噪声、燃烧噪声和机械噪声。其中，空气动力噪声包括进、排气系统和风扇等产生的噪声；燃烧噪声是气缸内部结构及零部件产生振动而发出的噪声；机械噪声是由于运动部件之间及运动部件与固定件之间机械作用力的周期性变化而产生的噪声。降低摩托车噪声的根本措施是控制主要噪声源。

建立技术解决方案。针对主要声源及主要频率，结合噪声传递的主要环节进行相应修改。

噪声源直接辐射噪声，采取措施降低噪声源的噪声水平或进行局部封闭，减少噪声辐射，如改善发动机燃烧状态，降低燃烧压力，减少发动机噪声；

连接系统传递的振动激励噪声，可改变系统连接方式，如发动机悬置采用橡胶浮动支撑；

结构共振产生的二次噪声，更改结构，降低部件的振动，从而减少振动产生的二次噪声。如改变油箱壁厚，减少其振动噪声。

相关试验验证。针对对解决方案中的各种降噪措施进行评定、试制及测试，如果达到预定目标噪声值，则可进行生产率评定，进行生产。如果没有达到预定目标噪声值，则需进行循环改进。

具体执行路线如图3所示。

图3 摩托车噪声分析路线图

在摩托车行驶过程中，发动机噪声占摩托车总噪声的百分之八十，它是摩托车最重要的噪声源，因此广泛开展摩托车噪声控制技术的研究具有重要的意义。80cc至175cc排量的发动机多属于单缸发动机，在运转过程中，其转速和振动等都比多缸发动机大，由此产生的噪声尤为突出。其控制策略如图4所示。

图4 发动机噪声控制策略

主观感受与NVH联合分析

随着行业竞争激烈，消费者生活水平提高，摩托车的NVH问题已不能单纯考虑降噪和减振。减振要与人的主观感受相联系，由于人体对振动的反映较为复杂，涉及到振源的频率和振幅特征以及受振者的感受，是受客观和主观双重因素共同决定的。

降噪同时要注意声音品质的主观感受，由于噪声是不悦耳的，无论如何控制，都不可能将噪声完全消除，而从声音的品质入手，使其听起来好听一些，才更有利于减少其危害性。从人耳接收到一个声音，到人脑感知到这个声音，其过程极其复杂，人耳对不同频率噪声的感受也不相同。当声音从不同的方向到达人耳时，声信号会产生细微的差异，听觉器官能据此对声音信号自动进行加权，进而确定声源的位置和方向。大脑对这些声音数据进一步处理，使之成为感知。这种人耳对噪声的感受不能单纯的用声压级大小表示，要用声品质表示。声品质定义为听觉事件对个人各方面需求的满足程度。它在原有物理参数的基础上，综合了心理声学范畴里诸如响度、粗糙度、尖锐度以及谐和度等参数，可以比较全面的评定一个声音的满意度。

结合人体对振动及噪声的主观感受，改善摩托车的舒适性，是当下摩托车NVH技术的热门研究课题。

摩托车发动机机械噪声研究

摩托车发动机噪声是摩托车的主要噪声源之一。发动机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和进、排气噪声。所以对发动机机械噪声研究的前提是对燃烧噪声、机械噪声和进排气噪声进行分离。其中进、排气噪声可以通过消声器进行有效控制和分离，难点在于对燃烧噪声和机械噪声进行分离。燃烧噪声是发动机工作时，气缸内周期性变化的气体压力激励发动机燃烧室各部件所发出的噪声，包括燃烧气体冲击活塞、缸盖、缸套等所发出的噪声。机械噪声是发动机各运动部件之间以及运动件与固定件之间由变化的机械作用力作用所发出的噪声，如各部件的振动噪声、齿轮噪声等。我们利用噪声叠加原理，通过特定的试验方法对燃烧噪声和机械噪声进行分离，进而对机械噪声进行研究、评判。

机械噪声测试

理论背景

由于燃烧噪声和机械噪声的声源不同，工程上可视为不相干噪声，其试验分离可采用能量的叠加、消去法进行，即分别测量发动机运转的总噪声和机械噪声，通过声压级计算得到不易直接测量的发动机燃烧噪声：设两不相干声音的声压(有效值)分别为p1 和p2 ，其中p1 为机械噪声声压，p2为燃烧噪声声压，叠加后的总声压为p, 可得

记叠加后的总声压级为L可得

式中P₀为基准声压，通常取2×10^-5M pa。

机械噪声声压级为：

燃烧噪声声压级为：

则：

从而：

试验方法

为排除风速等环境因素影响，本试验需在全封闭的消声室中进行排除风速的影响。试验中将发动机进、排气通过软管引出室外，从而忽略进、排气噪声。发动机按照台架试验方法安装，负载由发动机参数确定，并由测功机提供。

为了全面考察发动机噪声，试验工况设定为几种典型工况。如1500r /min, 2500r /min, 3500 r/min，4500 r/min，5500 r/min，6500 r/min六种稳定转速下的无负荷和有负荷共12种工况噪声数据，以便考察不同转速、不同载荷下机械噪声和燃烧噪声对整机噪声的贡献。在5500r /min稳定转速下，10%、20%、30%、40%、50%、60%六种载荷条件下的噪声数据，以便考察转速不变的情况下载荷变化对噪声组成的影响。

针对每一种工况，通过工程法测定整机噪声的平均声压级，并对声压信号进行谱分析, 得到1 /3倍频带频谱。

试验过程及数据处理

测量发动机正常运转综合噪声值，包括发动机燃烧、机械噪声, 测功机噪声, 风扇噪声。

发动机熄火，测量由测功机反拖噪声值，包括发动机机械噪声值，测功机噪声，风扇噪声。

断开发动机与测功机连接，测量测功机单独运转噪声值，包括测功机噪声与风扇噪声。

由1)数据的1 /3倍频带谱与2)数据的1 /3倍频带谱相减，可以得到发动机燃烧噪声的1 /3倍频带谱，合成得各个测点的声压；

由2)数据的1 /3倍频带谱与3)数据的1 /3倍频带谱相减，可以得到发动机机械噪声的1 /3倍频带谱，合成得各个测点的声压。由于三组数据中都包含风扇噪声，故可在运算中相互消去。

该试验过程为声压法的工程应用，前提条件为假设机械噪声和燃烧噪声为不相干源，仅考虑声压幅值特性，未考虑声的相位特性。若排除相位特征对结果的影响，可采用参照GB、T1859-2000《往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法》采用9点声压法测定整机噪声

声功率。测试过程与声压法类似，在此不再赘述。

机械噪声评价

利用能量的叠加、消去法分离出机械噪声和燃烧噪声，可以基于竞品车型机械噪声和燃烧噪声水平进行对比评价，或者基于产品前期设定目标对试制发动机机械噪声、燃烧噪声进行评价，验证是否达到初期设定目标。