A transição da indústria automotiva para veículos elétricos (EVs) trouxe consigo uma série de novos desafios, especialmente no campo de ruído, vibração e dureza (NVH). Dentre eles, o ruído de estradas de baixa frequência – particularmente na faixa abaixo de 50 Hz – emergiu como um problema crítico que afeta o conforto dos ocupantes. Um estudo recente publicado na revista Noise and Vibration Control aprofunda os mecanismos por trás de um ruído específico de 31 Hz em um SUV elétrico, oferecendo soluções inovadoras que podem redefinir a maneira como fabricantes de automóveis abordam o desenvolvimento NVH.
A pesquisa, liderada por Huang Yinglai, Zhao Mingbin e Shan Xile do Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., concentra-se em um SUV elétrico hatchback de duas caixas que apresentava um ruído de baixa frequência significativo na fileira dianteira durante a condução a velocidade constante. O que distingue este estudo é sua investigação sistemática sobre o ruído induzido por estradas, um tema que recebeu menos atenção em comparação com o ruído relacionado a motores em veículos tradicionais.
O problema: Um ruído persistente de 31 Hz
Durante os testes, a equipe observou que, quando o veículo percorria uma estrada áspera a uma velocidade constante de 60 km/h, a fileira dianteira experimentava um ruído de baixa frequência com um pico em 31 Hz, atingindo 45 dB(A). Notavelmente, a fileira traseira permaneceu relativamente inafetada, um detalhe que mais tarde se mostrou crucial para identificar a causa raiz.
Avaliações iniciais descartaram problemas relacionados aos pneus. Apesar de os pneus de veículos elétricos serem projetados para serem mais duros, mais largos e mais achatados para atender aos requisitos de baixa resistência ao rolamento e cargas – fatores que tipicamente exacerbam o ruído de estradas – a análise modal dos pneus não mostrou correlação entre as características estruturais do pneu e o pico de 31 Hz. Testes nas funções de transferência de vibração dos pneus, desde a banda de rodagem até o centro da roda, revelaram que as direções X e Z não apresentavam picos correspondentes em 31 Hz, eliminando o pneu como fonte primária.
Traçando o caminho da vibração: Transmissibilidade de força da suspensão
A investigação então se voltou para o sistema de suspensão do veículo, um componente chave na transferência de vibrações induzidas pela estrada para o interior. Os pesquisadores introduziram o conceito de transmissibilidade de força da suspensão como uma métrica crítica para avaliar quão eficazmente as vibrações são transmitidas através da suspensão.
Ao estabelecer um modelo detalhado da suspensão traseira, a equipe analisou a transferência de força da roda para a carroceria por meio de buscas. O modelo considerou as velocidades de vibração em ambos os lados das buscas (lado da suspensão e lado da carroceria), bem como as forças que atuam sobre elas. Por meio dessa análise, identificaram um pico significativo na transmissibilidade de força da suspensão em 31 Hz, alinhando-se perfeitamente com a frequência do ruído observado.
Testes modais adicionais na suspensão traseira revelaram um modo de corpo rígido em 30 Hz no grau de liberdade RY (rotação ao redor do eixo Y). Essa frequência modal foi identificada como o principal motivo da transmissibilidade de força elevada em 31 Hz. A análise da equipe mostrou que a rigidez do apoio traseiro do motor e das buscas traseiras do subchassi tiveram um impacto substancial nesta frequência modal RY.
O papel da estrutura da carroceria e acoplamento vibroacústico
Embora o sistema de suspensão tenha desempenhado um papel fundamental na transmissão de vibrações, a resposta da carroceria do veículo a essas vibrações foi igualmente crítica. Os pesquisadores realizaram testes de função de transferência de ruído da carroceria, que envolveram excitar vários pontos de montagem da suspensão e medir o ruído resultante no interior do veículo.
Os resultados foram impressionantes: os pontos de montagem do subchassi traseiro exibiram uma alta função de transferência de ruído, especialmente quando excitados na direção Z, com amplitudes alcançando 60 dB na faixa de 30-40 Hz. Isso indicou que a carroceria do veículo era excessivamente sensível a vibrações na direção Z nos apoios do subchassi traseiro, amplificando o ruído no interior.
Uma análise mais aprofundada nas funções de transferência de vibração e ruído da porta traseira revelou um pico claro por volta de 30 Hz, sugerindo que as características modais da porta traseira estavam intimamente ligadas ao problema do ruído. Isso levou a equipe a explorar a interação complexa entre a porta traseira e a cavidade acústica interna do veículo – um fenômeno conhecido como acoplamento vibroacústico.
Desvendando o mecanismo de acoplamento vibroacústico
Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para analisar o acoplamento entre a porta traseira e a cavidade acústica interna. Tratando a porta traseira como um corpo rígido vibrando na direção x e outras fronteiras como rígidas, eles derivaram equações que governam a distribuição de pressão acústica e a velocidade das partículas dentro da cavidade.
Suas descobertas revelaram um insight crucial: o ruído de 31 Hz foi resultado do casamento de impedância entre a frequência modal de primeira ordem da porta traseira e a cavidade acústica. Quando a impedância de vibração da porta traseira corresponde à impedância acústica da cavidade, ocorre uma ressonância, criando uma nova frequência própria que não existiria se a porta traseira fosse uma fronteira rígida. Isso explica por que veículos de duas caixas, com seu design distinto de porta traseira, são particularmente propensos a esse tipo de ruído.
O modelo também ajudou a explicar a disparidade entre dianteiro e traseiro na percepção do ruído. Em 31 Hz, o padrão de onda estacionária no interior do veículo cria um ventre de pressão próximo aos cabeçotes das poltronas dianteiras e um nó próximo aos cabeçotes das poltronas traseiras, explicando por que o ruído é mais evidente na fileira dianteira.
Soluções inovadoras: Da teoria à prática
Dotados de uma compreensão abrangente do mecanismo do ruído, a equipe de pesquisa propôs uma estratégia de otimização multifacetada:
- Ajuste do modo de corpo rígido da suspensão: Ao aumentar a rigidez do apoio traseiro do motor e das buscas traseiras do subchassi, a equipe conseguiu deslocar a frequência modal RY de 30 Hz para acima de 35 Hz. Esse ajuste reduziu significativamente a transmissibilidade de força da suspensão na faixa de 28-35 Hz, cortando o caminho principal de transmissão de vibrações.
- Controle modal da carroceria: Modificações direcionadas à estrutura da carroceria visaram reduzir sua sensibilidade a vibrações na direção Z nos apoios do subchassi traseiro. Isso incluiu reforços estratégicos para alterar as frequências naturais da carroceria, evitando ressonância com vibrações induzidas pela suspensão.
- Otimização das restrições da porta traseira: A equipe instalou mangueiras especializadas nas vedações esquerda e direita da porta traseira e aumentou a interferência dos blocos amortecedores da porta traseira. Essas medidas reduziram eficazmente a amplitude da porta traseira, minimizando seu papel na excitação da cavidade acústica.
Os resultados dessas otimizações foram impressionantes. O ruído de 31 Hz foi reduzido de 45 dB(A) para 35 dB(A), e o nível total de pressão sonora do ruído de estrada caiu de 65,5 dB(A) para 63,7 dB(A). Avaliações subjetivas confirmaram a eliminação da sensação de ruído irritante, marcando uma melhoria significativa no conforto dos ocupantes.
Implicações mais amplas para o desenvolvimento NVH de veículos elétricos
As descobertas deste estudo têm implicações de amplo alcance para a indústria automotiva, especialmente à medida que a adoção de veículos elétricos continua a crescer. Ao contrário de veículos tradicionais com motor de combustão interna, veículos elétricos carecem do efeito de mascaramento do ruído do motor, tornando problemas NVH – especialmente ruídos de baixa frequência – mais perceptíveis para os ocupantes.
O estudo destaca a importância de uma abordagem holística no desenvolvimento NVH, que considere não apenas componentes individuais, mas também suas interações. A introdução da transmissibilidade de força da suspensão como métrica chave fornece aos fabricantes de automóveis uma nova ferramenta para avaliar e otimizar sistemas de suspensão. Da mesma forma, a análise detalhada do acoplamento entre porta traseira e cavidade acústica oferece insights valiosos para o design de veículos de duas caixas, que são cada vez mais populares no mercado de veículos elétricos.
Além disso, o estudo preenche uma lacuna crítica na literatura existente, que tradicionalmente se concentrou no ruído relacionado a motores. Com a crescente presença de veículos elétricos, o ruído de estradas só ganhará mais importância, tornando esta pesquisa oportuna e relevante.
Relevância prática e desenvolvimentos futuros
As soluções propostas pela equipe não são apenas teoricamente fundamentadas, mas também praticáveis de implementar – um aspecto de grande importância para fabricantes de automóveis. O ajuste da rigidez de apoios e buscas, assim como a otimização de restrições da porta traseira, não requerem mudanças drásticas no design, mas podem ser integradas em processos de produção existentes.
Pesquisas futuras podem se basear nesses resultados para examinar problemas de ruído semelhantes em outros tipos de veículos. Em particular, o ajuste de modos e mecanismos de acoplamento pode servir como modelo para o desenvolvimento de novas estratégias de otimização NVH, especificamente adaptadas às necessidades de veículos elétricos.
Além disso, a integração de ferramentas de simulação avançadas – como o método de elementos finitos (MEF) para análises de acoplamento vibroacústico – pode aumentar ainda mais a eficiência do desenvolvimento NVH. Combinando simulação e validação experimental, fabricantes podem identificar e resolver problemas de ruído ainda nas fases iniciais de desenvolvimento, economizando tempo e custos.
Conclusão
A mitigação bem-sucedida do ruído de 31 Hz no SUV elétrico demonstra o poder da análise de engenharia sistemática e da resolução inovadora de problemas. Combinando modelagem teórica, testes práticos e otimizações, a equipe do Geely Automobile Research Institute não apenas resolveu um problema NVH específico, mas também contribuiu com insights valiosos para o campo mais amplo da engenharia automotiva.
À medida que a indústria continua a expandir os limites de desempenho e conforto em veículos elétricos, estudos como este desempenharão um papel vital em garantir que veículos elétricos atendam e superem as expectativas dos consumidores em termos de condução silenciosa e confortável.
Huang Yinglai, Zhao Mingbin e Shan Xile são engenheiros do Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., com sede em Ningbo, Zhejiang, China. Sua pesquisa foi publicada na revista Noise and Vibration Control, Volume 44, Número 5, outubro de 2024. O DOI do artigo é 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.05.046.