L’ottimizzazione delle prestazioni acustiche rappresenta una sfida cruciale per l’industria automobilistica moderna, in particolare nel campo del rumore, della vibrazione e della durezza (NVH). Tra queste, il rimbombo del rumore stradale – soprattutto nella gamma a bassa frequenza al di sotto di 50 Hz – è emerso come un problema critico che compromette il comfort dei passeggeri. Uno studio recente pubblicato sulla rivista Noise and Vibration Control approfondisce i meccanismi alla base di un specifico rimbombo di 31 Hz in un SUV elettrico, offrendo soluzioni innovative che potrebbero trasformare l’approccio delle case automobilistiche alla progettazione NVH.
La ricerca, guidata da Huang Yinglai, Zhao Mingbin e Shan Xile del Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., si concentra su un SUV elettrico a due volumi con portellone posteriore che presentava un evidente rimbombo a bassa frequenza nella fila anteriore durante la guida a velocità costante. Ciò che distingue questo studio è la sua indagine sistematica sul rimbombo indotto dalla strada, un argomento che ha ricevuto meno attenzione rispetto al rimbombo legato al motore nei veicoli tradizionali.
Il problema: un persistente rimbombo di 31 Hz
Durante i test, il team ha osservato che quando il veicolo percorreva una strada ruvida a una velocità costante di 60 km/h, la fila anteriore sperimentava un rumore a bassa frequenza con un picco a 31 Hz, raggiungendo i 45 dB(A). È interessante notare che la fila posteriore è rimasta relativamente immune, un dettaglio che successivamente si è rivelato cruciale per identificare la causa radice.
Le valutazioni iniziali hanno escluso problemi legati ai pneumatici. Nonostante i pneumatici dei veicoli elettrici siano progettati per essere più duri, più larghi e più piatti per soddisfare i requisiti di bassa resistenza al rotazione e carichi – fattori che di solito aggravano il rumore stradale – l’analisi modale dei pneumatici non ha mostrato alcuna correlazione tra le caratteristiche strutturali del pneumatico e il picco di 31 Hz. I test sulle funzioni di trasferimento delle vibrazioni dei pneumatici dalla battistrada al centro della ruota hanno rivelato che le direzioni X e Z non presentavano picchi corrispondenti a 31 Hz, eliminando il pneumatico come fonte primaria.
Tracciando il percorso delle vibrazioni: trasmissibilità della forza della sospensione
L’indagine si è quindi concentrata sul sistema di sospensione del veicolo, un componente chiave nel trasferimento delle vibrazioni indotte dalla strada alla cabina. I ricercatori hanno introdotto il concetto di trasmissibilità della forza della sospensione come metrica critica per valutare l’efficacia con cui le vibrazioni vengono trasferite attraverso la sospensione.
Attraverso la creazione di un modello dettagliato della sospensione posteriore, il team ha analizzato il trasferimento di forza dalla ruota alla carrozzeria attraverso i cuscinetti. Il modello ha considerato le velocità di vibrazione su entrambi i lati dei cuscinetti (lato sospensione e lato carrozzeria), nonché le forze che agiscono su di essi. Grazie a questa analisi, hanno identificato un significativo picco nella trasmissibilità della forza della sospensione a 31 Hz, che coincide perfettamente con la frequenza del rimbombo osservata.
Ulteriori test modali della sospensione posteriore hanno rivelato una modalità di corpo rigido a 30 Hz nel grado di libertà RY (rotazione attorno all’asse Y). Questa frequenza modale si è rivelata essere la principale causa della trasmissibilità elevata della forza a 31 Hz. L’analisi del team ha dimostrato che la rigidità del supporto posteriore del motore e dei cuscinetti posteriori del sottocarrozzeria hanno un impatto sostanziale su questa frequenza modale RY.
Il ruolo della struttura della carrozzeria e l’accoppiamento vibroacustico
Sebbene il sistema di sospensione abbia giocato un ruolo cruciale nel trasferimento delle vibrazioni, la risposta della carrozzeria al veicolo a queste vibrazioni è stata altrettanto critica. I ricercatori hanno condotto test sulle funzioni di trasferimento del rumore della carrozzeria, che hanno implicato l’eccitazione di vari punti di montaggio della sospensione e la misurazione del rumore risultante nella cabina.
I risultati sono stati sorprendenti: i punti di montaggio del sottocarrozzeria posteriore hanno mostrato una alta funzione di trasferimento del rumore, in particolare quando eccitati nella direzione Z, con ampiezze che hanno raggiunto i 60 dB nella gamma 30-40 Hz. Ciò ha indicato che la carrozzeria è troppo sensibile alle vibrazioni nella direzione Z ai punti di montaggio del sottocarrozzeria posteriore, amplificando il rumore nella cabina.
Un’analisi più approfondita sulle funzioni di trasferimento delle vibrazioni e del rumore del portellone posteriore ha rivelato un chiaro picco intorno ai 30 Hz, suggerendo che le caratteristiche modali del portellone posteriore sono strettamente legate al problema del rimbombo. Questo ha portato il team a esplorare l’interazione complessa tra il portellone posteriore e la cavità acustica interna del veicolo – un fenomeno noto come accoppiamento vibroacustico.
Svelando il meccanismo di accoppiamento vibroacustico
I ricercatori hanno sviluppato un modello teorico per analizzare l’accoppiamento tra il portellone posteriore e la cavità acustica interna. Trattando il portellone posteriore come un corpo rigido che vibra nella direzione x e gli altri confini come rigidi, hanno derivato equazioni che governano la distribuzione della pressione acustica e la velocità delle particelle all’interno della cavità.
Le loro scoperte hanno rivelato un insight cruciale: il rimbombo di 31 Hz è il risultato dell’adeguamento dell’impedenza tra la frequenza modale del primo ordine del portellone posteriore e la cavità acustica. Quando l’impedenza di vibrazione del portellone posteriore corrisponde all’impedenza acustica della cavità, si verifica una risonanza, creando una nuova frequenza propria che non esisterebbe se il portellone posteriore fosse un confine rigido. Questo spiega perché i veicoli a due volumi, con il loro design distintivo del portellone posteriore, sono particolarmente inclini a questo tipo di rimbombo.
Il modello ha anche aiutato a spiegare la disparità tra anteriore e posteriore nella percezione del rumore. A 31 Hz, il pattern dell’onda stazionaria all’interno della cabina crea un ventre di pressione vicino alle teste delle sedute anteriori e un nodo vicino alle teste delle sedute posteriori, spiegando perché il rimbombo è più evidente nella fila anteriore.
Soluzioni innovative: dalla teoria alla pratica
Dotati di una comprensione completa del meccanismo del rimbombo, il team di ricerca ha proposto una strategia di ottimizzazione multifaceted:
- Regolazione della modalità di corpo rigido della sospensione: Aumentando la rigidità del supporto posteriore del motore e dei cuscinetti posteriori del sottocarrozzeria, il team ha successo nel spostare la frequenza modale RY da 30 Hz a oltre 35 Hz. Questo adattamento ha ridotto significativamente la trasmissibilità della forza della sospensione nella gamma 28-35 Hz, interrompendo il percorso principale di trasferimento delle vibrazioni.
- Controllo modale della carrozzeria: Modifiche mirate alla struttura della carrozzeria hanno avuto lo scopo di ridurre la sua sensibilità alle vibrazioni nella direzione Z ai punti di montaggio del sottocarrozzeria posteriore. Ciò ha incluso rinforzi strategici per alterare le frequenze naturali della carrozzeria, evitando la risonanza con le vibrazioni indotte dalla sospensione.
- Ottimizzazione dei vincoli del portellone posteriore: Il team ha installato tubi specializzati all’interno delle guarnizioni di tenuta sinistra e destra del portellone posteriore e ha aumentato l’interferenza dei blocchi ammortizzanti del portellone posteriore. Queste misure hanno ridotto efficacemente l’ampiezza del portellone posteriore, minimizzando il suo ruolo nell’eccitazione della cavità acustica.
I risultati di queste ottimizzazioni sono stati drastici. Il rimbombo di 31 Hz è stato ridotto da 45 dB(A) a 35 dB(A), e il livello totale di pressione sonora del rumore stradale è passato da 65.5 dB(A) a 63.7 dB(A). Le valutazioni soggettive hanno confermato l’eliminazione della sensazione di rimbombo fastidioso, marcando un significativo miglioramento nel comfort dei passeggeri.
Implicazioni più ampie per lo sviluppo NVH dei veicoli elettrici
Le scoperte di questo studio hanno implicazioni di vasta portata per l’industria automobilistica, in particolare a medida che l’adozione dei veicoli elettrici continua a crescere. A differenza dei veicoli tradizionali con motore a combustione interna, i veicoli elettrici mancano dell’effetto di mascheramento del rumore del motore, rendendo i problemi NVH – in particolare i rumori a bassa frequenza – più perceptibili per i passeggeri.
Il studio sottolinea l’importanza di un approccio olistico allo sviluppo NVH, che consideri non solo componenti individuali, ma anche le loro interazioni. L’introduzione della trasmissibilità della forza della sospensione come metrica chiave fornisce alle case automobilistiche uno strumento nuovo per valutare e ottimizzare i sistemi di sospensione. Allo stesso modo, l’analisi dettagliata dell’accoppiamento tra il portellone posteriore e la cavità acustica offre insights preziosi per il design dei veicoli a due volumi, che sono sempre più popolari nel mercato dei veicoli elettrici.
Inoltre, il studio riempie una lacuna critica nella letteratura esistente, che si è tradizionalmente concentrata sul rimbombo legato al motore. Con l’aumentare della presenza dei veicoli elettrici, il rumore stradale guadagnerà solo in importanza, rendendo questa ricerca attuale e rilevante.
Rilevanza pratica e sviluppi futuri
Le soluzioni proposte dal team non sono solo teoricamente fondate, ma anche pratiche da implementare – un aspetto di grande importanza per le case automobilistiche. La regolazione della rigidità dei supporti e dei cuscinetti, nonché l’ottimizzazione dei constraint del portellone posteriore, non richiedono cambiamenti di design drastici, ma possono essere integrati nei processi di produzione esistenti.
Ricerche future potrebbero basarsi su questi risultati per esaminare problemi di rimbombo simili in altri tipi di veicoli. In particolare, la regolazione delle modalità e dei meccanismi di accoppiamento potrebbe servire come modello per lo sviluppo di nuove strategie di ottimizzazione NVH, specificamente adattate alle esigenze dei veicoli elettrici.
Inoltre, l’integrazione di strumenti di simulazione avanzati – come il metodo degli elementi finiti (FEM) per analisi di accoppiamento vibroacustico – potrebbe aumentare ulteriormente l’efficacia dello sviluppo NVH. Combinando simulazione e convalida sperimentale, i produttori potrebbero identificare e risolvere problemi di rimbombo già nelle fasi iniziali di sviluppo, risparmiando tempo e costi.
Conclusione
La mitigazione riuscita del rimbombo di 31 Hz nell’SUV elettrico dimostra il potere dell’analisi ingegneristica sistematica e della risoluzione innovativa dei problemi. Combinando modellazione teorica, test pratici e ottimizzazioni, il team del Geely Automobile Research Institute non solo ha risolto un problema NVH specifico, ma ha anche contribuito con insights preziosi al campo più ampio dell’ingegneria automobilistica.
Mentre l’industria continua a spingere i confini delle prestazioni e del comfort dei veicoli elettrici, studi come questo giocheranno un ruolo vitale nel garantire che i veicoli elettrici soddisfino e superino le aspettative dei consumatori in termini di guida silenziosa e confortevole.
Huang Yinglai, Zhao Mingbin e Shan Xile sono ingegneri del Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., con sede a Ningbo, Zhejiang, Cina. La loro ricerca è stata pubblicata nella rivista Noise and Vibration Control, Volume 44, Numero 5, ottobre 2024. Il DOI dell’articolo è 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.05.046.