6 車輛研測資訊 099期 2014-04

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一、前 言

相較於傳統車輛，電動車少了引擎運轉的聲

音，行駛起來自然就比較安靜無聲。雖然目前各界

對於電動車行進間太過安靜，可能會讓行人因難以

察覺而造成危險(尤其是視障人士)，因而考慮立法

規定在電動車上配備人工音效裝置。然而，撇開電

動車「刻意」安裝車輛接近的警告音不談，其實對

於研究車輛振動噪音的工程師來說，更關心的是，

以馬達取代了傳統引擎的電動車，在最大噪音源消

失之後，車內的其他噪音失去屏蔽，以往微小而容

易被忽略的振動異音，反而可能會如雨後春筍般產

生。所以，車輛零組件的異音產生，無論是在傳統

的車輛，或是電動車，都是無法迴避的問題。

異音的產生，通常是由車輛於行進間之振動

所引發。至於形態主要分為兩大類：(1)在不同材

料之間的交界面上，因超過其靜摩擦力與動摩擦力

之負荷，導致材料彈性變形之位能釋放出來，此種

由摩擦所造成之噪音稱為squeak；(2)原本相連的兩

個部件，因相對運動導致其暫時分離又回復的現

象，此種因撞擊而產生之噪音稱為rattle，如圖1所

示。Squeak產生的原因，肇因於結構之間的磨擦，

也就是不同零組件相互之間不匹配。所以，要消除

squeak異音，可採取選擇適當的材料、設法平整光

滑其表面或添加潤滑劑等方式來處理。而rattle則

歸咎於結構之間的敲擊所產生的異音，因此，要解

決rattle形式的異音，就必須考慮整個系統的鎖固

方式、零組件之間的公差容許值以及材料的機械特

性、剛性、共振頻率等。

　　

其實用車人所感受到的各種異音，大部分都

可以在車輛製造商與零組件供應商的生產或組裝階

段，藉由檢測予以診斷，甚至解決，常見的方式如

以紡織品、潤滑油添加在產生異音處。但最好的方

式還是在產品設計的初始階段，就能預防異音問題

的產生。因此，車輛開發的各個階段，都需要「異

音檢測」作為確保品質的手段。

解開車輛的振動異音之謎

車輛研究測試中心 蔡騰德

▲ 圖1、Squeak and Rattle

Squeak Rattle

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專 題 報 導

二、造成異音的原因

引起squeak與rattle的原因，主要來自車輛行駛

於路面時所產生之振動，當其遇到零組件內部含

有不適當的間隙及振動過度而導致。換言之，幾乎

所有的異音都可歸咎於結構的缺陷、不匹配的材料

以及不適當的幾何形狀，如圖2所示。此外，相對

運動不一定會造成異音，但異音通常是相對運動所

產生。所以，因結構的缺陷所造成的相對運動，包

括剛性不足或是較硬的懸吊等通常也會造成較大的

激振力，曾有研究指出採取高剛性的底盤和運動型

的懸吊(sport suspension)的吉普車或運動型多用途

車，其影響儀錶板所造成的響應，比基礎型的懸吊

(Base suspension)，會高出30%之多。

不足的結構剛性以及鎖固剛性亦會造成嚴重的

異音問題。像是舊型的CD播放器在車輛行駛時偶

而會遺漏一些音樂，可能的原因便包括中控台的彎

曲剛性不足以及CD播放器的鎖固剛性不足等，若

經過適當的補強剛性便可改善此問題。此外，幾何

形狀也是決定異音產生的重要參數，無論是在設計

與生產的階段，交界面如果存在不適當的間隙，就

有可能發生異音。通常發生於組裝時的品管不良，

或是製造階段的公差不能滿足原設計時的要求。例

如儀錶板以及車門飾板多以幾何形狀的設計來呈

現，如果其表面沒有加以適當處理，就會成為提供

異音輻射及放大的媒介。

三、異音防範

依循完善的設計原理，可以減緩但還是難以完

全消除零件之間產生相對運動，畢竟次系統與零組

件之間，通常都需要維持其功能性的運動空間。舉

例來說，座椅通常需要能夠滑動以及折疊，門把以

及車窗升降系統也需要能夠滿足其功能的運動性。

同時，這些系統隨著車輛的使用，亦會漸漸的磨耗

而產生鬆脫的問題，甚至溫度與濕度的條件也會造

成零組件尺度的變動，進而影響材料之間的相互作

用，包括化學成分、表面特性以及環境因素等，異

音也隨之產生。

針對以上所介紹的異音成因，防範的手法則可

簡略區分為結構的整合、材料的匹配性、製造過程

的品質控制以及智慧型設計等四大項，分別說明如

下：

(一) 結構的整合

異音由部件之間的相對運動所產生，減少相對

運動自然就可以減少異音。包括適當的靜態與動態

剛性，以及結構局部與整體的剛性。尤其是追求高

剛性的同時也應同時注意配重的問題。一般而言，

良好的動態剛性，必須考量結構的模態特性，以搭

配適當的鎖固方式。

▲ 圖2、異音的組成

材料配對

幾何形狀結構缺陷

異音

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基準評價(Benchmarking)是建立靜態與動態剛

性目標的基石。一開始車輛工程師會依據基準評價

的資訊，訂定設計目標，再來推算合理的結果，例

如儀表板不該作為支撐結構的一部分，因此儀錶板

的設計目標應著重於藝術與美感方面。

(二) 材料的匹配性

如果無法避免部件之間的相對運動，那麼審

慎配對材料自然是異音防治的不二法門。Squeak通

常發生於彈性體的接觸表面，如擋風玻璃、燈座、

車頂或車門的防水膠條，儀錶板的密封墊等。但即

使產業先進們經過相當長時間的研究與努力，目

前也還找不到有哪一種材料可以完全消除所有的

squeak；也有製造商在彈性材料上，嘗試以塗層或

是表面加工處理的方式，目前也只有非常少數的特

例能夠通過接下來的磨耗以及環境的耐久考驗。因

此，至今專家學者們仍在找尋各種可能的方法，或

利用配對不同屬性的材料，如彈性體對玻璃、彈性

體對金屬等方式，繼續研究如何化解異音問題。

(三) 製作過程的品質控制

不良的製程或是大量生產的過程，也有可能導

致異音的問題。控制公差的確能夠有效的減少異音

問題，但也相對需要投入較高的成本，這點在一些

強調手工或工藝細節的豪華車款上即可看出端倪。

但無論如何，結合適當的公差與足夠的經驗，並考

量製造與組裝的可行性，就可在設計階段達到預防

異音的效果。

(四) 智慧型設計

解決異音問題的重要關鍵，通常是一些設計的

小細節。例如特殊處理過的表面，能最小化聲音的

輻射與振幅，就相當適用在一些成為聲音反射面的

零組件上，例如儀錶板以及車門飾板。或是利用吸

音材料，設法放置於聲源與接收者之間，也可能發

展出許多不同的應用層面。

除了上述所提及的方式，還有一些不可或缺

的基礎觀念，比如主結構必須要提供足夠的支撐

剛性，比較重的零組件也應該與主結構牢牢鎖固，

並講究鎖固方式、以及鎖固位置的平均與足夠的

鎖固數量等。最後一點，就是善用電腦輔助工程

(Computer aided engineering, CAE)，CAE技術在異

音預防的設計過程中佔有相當重要地位。如果沒有

CAE的輔助，異音防治將需要非常驚人的成本。反

之若能充分利用CAE的輔助，便能享受異音防治所

帶來巨大的效率及利益。

現今在車輛開發的各個階段，幾乎都可以看到

CAE的參與並整合設計策略，在異音問題的部分，

首先，應該以CAE建立squeak與rattle，以預測實際

現象；其次，包括次系統與系統方面，利用CAE

模擬如模態分析或是四軸耐久測試。準確的CAE模

型，還必須能夠反映包括其化學特性以及表面處理

特性，以求在配對材料的滑動以及各種測試環境

下，探究各種參數與產生異音的敏感度。以上的相

關研究在設計的最初階段，對於選擇最佳的材料組

合是相當有幫助的。再者，透過模擬分析，工程師

也能對於異音現象展開深入的探討，進而提供實用

的價值。

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專 題 報 導

四、預防異音的設計策略

異音檢測的防治，在產品製造的各個階段都有

不同的策略，其施行應該基於一個能夠整合CAE與

實驗測試的平台，同時針對各階段所遭遇的問題，

也要能有效的回饋以採取相對應的對策，來確保生

產過程的順利，如圖3。

(一) 概念與計畫

在概念階段，創新的部分自然得仰賴車輛工程

師或設計師的努力，但經驗的累積與充分的利用資

料庫也是相當重要的。包括前一個產品的經驗，以

及考量技術、競爭對手、市場區隔、顧客需求、法

規等，皆需要在產品的設計階段列入一一評估。

(二) 設計與發展

次系統與系統的模型分別將在這個階段建立、

模擬與整合。計算零組件與次系統的響應，次系統

的動態特性以及連續性也會在此階段進行驗證，

確認是否達到目標之後，才是整車的驗證。所採取

的方式多半是在電腦上進行多重的或是同時的模擬

測試。在進行CAE設計與發展的同時，也能進行相

關硬體的測試。對於材料選擇的部分，也需要在此

進行異音檢測做確認。利用這些初期的測試結果，

CAE模型也能得到更新與驗證。

(三) 驗證

在測試階段，大部分的硬體都應該要能正常

運作，並且掌握零組件與次系統的動態特性。模態

的連續性，包括自然頻率與其響應要藉由實驗完成

驗證，而異音品質的判定，則要包含客觀的量化數

據以及主觀的評價分析。在此階段，包括在實驗室

中以激振器進行測試、以及四軸耐久測試，道路測

試，耐久測試等均應完成，如此通過對零組件的要

求，次系統與整車才有機會進入生產階段。

(四) 生產

製造過程中，最難的莫過於將所有的東西整

合在一起。各式各樣的結構設計、品質控制都有可

能造成異音問題。組裝線的異音檢測，可說是避免

異音問題的第一道防線，在時間與成本的考量上

相當具有效益，尤其是次系統的線上檢驗，如儀

錶板、座椅、車門、中控台等。對OEM (Original

equipment manufacturer)廠來說，可設立檢測站過濾

組裝不良的次系統，包括在駕駛座的位置以一支麥

克風量測噪音，來確立異音品質，甚至安排待出廠

的車輛進行四軸耐久測試做異音的認證。無論採取

哪種方式，重要的是如何將異音問題以量化的方式

呈現。畢竟生產過程最終仍需要追蹤問題，包括檢

查組裝線、顧客意見、成本考量，並迅速的採取對

策，解決異音問題。

▲ 圖3、防治異音的生產策略

概念與計畫 設計與發展 驗 證 生 產

概念發展

設計合成

資料庫

競爭對手

製造可行性

成本

創新

材料選擇

公差

計算響應

數值模擬

模態校準

連續性

設計目標

零組件測試

次系統測試

材料對測試

現有硬體

模態校準

主觀評價

客觀量化

目標驗證

異音檢測

流程控制

品質控制

次系統

整車評估

成本回報

顧客意見

檢測站

追蹤問題，採取對策

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五、結 語

隨著車輛產業的發展，對於異音量測的需求

也逐漸提升。由於異音的本質是隨機合成產生，導

致難以得到一個公式化的解決方法。因此在設計階

段，如何從電腦輔助模擬等方式著手，減輕其日後

整合的負擔，並達到預防異音產生的問題，是一大

關鍵；至於零組件階段的異音檢測，由於無整車可

以配合驗證，因此除了主觀評估外，建立客觀評價

標準來進行量化也漸漸成為趨勢。一般認為建立檢

測站，對於次系統與整車的益處甚多，可在完成產

品之前，免除不良的組裝以及有缺陷零組件，也節

省日後維修成本，如此才能創造出具有競爭力的標

竿產品。

關於異音檢測

檢定產品的噪音品質，量測噪音頻譜，這項技術即稱之為異音檢測(Squeaks and Rattles,

S&R)，也是檢定車用零組件之噪音品質的方法之一。車輛中心振動噪音課長期協助國內外廠商

透過異音檢測，提供產品改良方案以及維持製造與生產的高品質。異音檢測最佳的執行地點為

無響室，其基本架構如下圖所示。

異音檢測架構

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專 題 報 導

檢測的第一步，是以特定激振源施加於待測物上，激發待測物產生異音後即可量測。激振

源形式通常為特定之隨機或正弦波訊號，量測到的聲音訊號，藉由快速富利葉轉換(Fast Fourier

Transform)將時間域的響應轉換至頻率域，以協助研究員判斷聲音的組成特徵。如此不斷的重

複實驗，累積足夠的數據之後，研究員便能加以判斷、分析與診斷產生異音的位置與原因。

對於異音檢測來說，最重要的是車內什麼響應會導致異音。也就是激振力的頻率組成只需

合理的重現車內的振動響應，即可完成有效的異音檢測實驗，並找出產生異音的原因，對業者

而言，是高效率、低成本，物美價廉的檢測方式。

異音檢測的主角-

1. 激振器

對於異音檢測來說，激振器的選擇是相當重要的，如果想要檢測出非常細微的振動異

音時，實驗儀器、設備所發出的噪音便不允許遮蔽待測物之噪音，因此除了夾治具本身不

能產生噪音，對於激振器本身的要求也相當嚴苛，包括操作時的低噪音，足夠的輸出力，

穩定的支撐座，高剛性的懸吊。同時，激振器還需要強健的支撐系統，以抵抗激振軸以外

其他軸向的力量以及偏心時產生的扭矩力等。

2. 頻譜分析儀

頻譜分析儀在異音檢測中所扮演的角色除了擷取訊號以外，並將量測訊號從時間域轉

換成頻率域，以協助研究員從頻率域的視角去分析訊號之組成與噪音之特徵。通常量測訊

號的形式為電壓訊號，通過轉換器或感測器，就可以應用於各式各樣物理性質的量測，如

聲壓、光波、加速度等。

激振器與頻譜分析儀