Le passage de l’industrie automobile vers les véhicules électriques (VE) a entraîné une série de nouveaux défis, notamment dans le domaine du bruit, des vibrations et de la dureté (NVH). Parmi eux, le bourdonnement du bruit routier – particulièrement dans la plage basse fréquence en dessous de 50 Hz – est devenu un problème critique affectant le confort des passagers. Une étude récente publiée dans la revue Noise and Vibration Control explore en profondeur les mécanismes sous-jacents à un bourdonnement spécifique de 31 Hz dans un SUV électrique, offrant des solutions innovantes qui pourraient remodeler la façon dont les constructeurs abordent le développement NVH.
La recherche, menée par Huang Yinglai, Zhao Mingbin et Shan Xile de l’Institut de Recherche Automobile Geely (Ningbo) Co., Ltd., se concentre sur un SUV électrique à hayon de type deux volumes qui présentait un bourdonnement basse fréquence significatif dans la rangée avant lors de la conduite à vitesse constante. Ce qui distingue cette étude, c’est son investigation systématique du bourdonnement induit par la route, un sujet qui a reçu moins d’attention par rapport au bourdonnement lié au moteur dans les véhicules traditionnels.
Le problème : Un bourdonnement persistant de 31 Hz
Lors des tests, l’équipe a observé que lorsque le véhicule circulait à une vitesse constante de 60 km/h sur des routes accidentées, la rangée avant subissait un bruit basse fréquence avec un pic à 31 Hz, atteignant 45 dB(A). Fait notable, la rangée arrière est restée relativement indemne, un détail qui s’est avéré crucial par la suite pour identifier la cause racine.
Les évaluations initiales ont écarté les problèmes liés aux pneus. Malgré le fait que les pneus des VE sont conçus pour être plus durs, plus larges et plus plats pour répondre aux exigences de faible résistance au roulement et de charge – des facteurs qui exacerbent généralement le bruit routier – l’analyse modale des pneus n’a montré aucune corrélation entre les caractéristiques structurelles du pneu et le pic de 31 Hz. Des tests sur les fonctions de transfert de vibration des pneus, de la bande de roulement au centre de la roue, ont révélé que les directions X et Z ne présentaient pas de pics correspondants à 31 Hz, éliminant le pneu comme source principale.
Traçage du chemin de vibration : Transmissibilité de force de la suspension
L’enquête s’est ensuite tournée vers le système de suspension du véhicule, un composant clé dans le transfert des vibrations induites par la route vers l’habitacle. Les chercheurs ont introduit le concept de transmissibilité de force de la suspension comme une métrique critique pour évaluer l’efficacité du transfert des vibrations à travers la suspension.
En établissant un modèle détaillé du système de suspension arrière, l’équipe a analysé le transfert de force de la roue à la carrosserie via les silent-blocks. Le modèle a pris en compte les vitesses de vibration des deux côtés des silent-blocks (côté suspension et côté carrosserie), ainsi que les forces qui y agissent. Grâce à cette analyse, ils ont identifié un pic significatif dans la transmissibilité de force de la suspension à 31 Hz, aligné parfaitement avec la fréquence de bourdonnement observée.
Des tests modaux complémentaires de la suspension arrière ont révélé un mode de corps rigide à 30 Hz dans le degré de liberté RY (rotation autour de l’axe Y). Cette fréquence modale s’est avérée être le principal moteur de la transmissibilité de force élevée à 31 Hz. L’analyse de l’équipe a révélé que la rigidité du support arrière du moteur et des silent-blocks arrière du sous-châssis avait un impact substantiel sur cette fréquence modale RY.
Le rôle de la structure de la carrosserie et du couplage vibroacoustique
Si le système de suspension a joué un rôle pivot dans la transmission des vibrations, la réponse de la carrosserie du véhicule à ces vibrations a été tout aussi critique. Les chercheurs ont effectué des tests de fonction de transfert de bruit de la carrosserie, qui consistaient à exciter plusieurs points de montage de la suspension et à mesurer le bruit résultant dans l’habitacle.
Les résultats ont été frappants : les points de montage du sous-châssis arrière ont présenté une fonction de transfert de bruit élevée, notamment lorsqu’ils étaient excités dans la direction Z, avec des amplitudes atteignant 60 dB dans la plage 30-40 Hz. Cela a indiqué que la carrosserie était excessivement sensible aux vibrations en direction Z aux supports du sous-châssis arrière, amplifiant le bruit dans l’habitacle.
Une exploration plus approfondie des fonctions de transfert de vibration et de bruit de la hayon a révélé un pic clair autour de 30 Hz, suggérant que les caractéristiques modales de la hayon étaient étroitement liées au problème de bourdonnement. Cela a conduit l’équipe à explorer l’interaction complexe entre la hayon et la cavité acoustique intérieure du véhicule – un phénomène connu sous le nom de couplage vibroacoustique.
Déchiffrage du mécanisme de couplage vibroacoustique
Les chercheurs ont développé un modèle théorique pour analyser le couplage entre la hayon et la cavité acoustique intérieure. Traitant la hayon comme un corps rigide vibrant dans la direction x et d’autres frontières comme rigides, ils ont dérivé des équations régissant la distribution de pression acoustique et la vitesse des particules à l’intérieur de la cavité.
Leurs découvertes ont révélé un point crucial : le bourdonnement de 31 Hz résultait d’une adaptation d’impédance entre la fréquence modale du premier ordre de la hayon et la cavité acoustique. Lorsque l’impédance de vibration de la hayon correspond à l’impédance acoustique de la cavité, une résonance se produit, créant une nouvelle fréquence propre qui n’existerait pas si la hayon était une frontière rigide. Cela explique pourquoi les véhicules à deux volumes, avec leur design distinct de hayon, sont particulièrement sujets à ce type de bourdonnement.
Le modèle a également aidé à expliquer la disparité entre avant et arrière dans la perception du bruit. À 31 Hz, le motif d’onde stationnaire à l’intérieur de l’habitacle crée un ventre de pression près des têtières des sièges avant et un nœud près des têtières des sièges arrière, expliquant pourquoi le bourdonnement est plus marqué dans la rangée avant.
Solutions innovantes : De la théorie à la pratique
Dotés d’une compréhension complète du mécanisme de bourdonnement, l’équipe de recherche a proposé une stratégie d’optimisation multifacette :
- Ajustement du mode de corps rigide de la suspension : En augmentant la rigidité du support arrière du moteur et des silent-blocks arrière du sous-châssis, l’équipe a réussi à déplacer la fréquence modale RY de 30 Hz à plus de 35 Hz. Cet ajustement a réduit significativement la transmissibilité de force de la suspension dans la plage 28-35 Hz, coupant le chemin principal de transmission des vibrations.
- Contrôle modal de la carrosserie : Des modifications ciblées de la structure de la carrosserie visaient à réduire sa sensibilité aux vibrations en direction Z aux supports du sous-châssis arrière. Cela incluait des renforcements stratégiques pour modifier les fréquences naturelles de la carrosserie, évitant la résonance avec les vibrations induites par la suspension.
- Optimisation des contraintes de la hayon : L’équipe a installé des tuyaux spécialisés dans les joints d’étanchéité gauche et droite de la hayon et a augmenté l’interférence des blocs amortisseurs de la hayon. Ces mesures ont efficacement réduit l’amplitude de la hayon, minimisant son rôle dans l’excitation de la cavité acoustique.
Les résultats de ces optimisations ont été impressionnants. Le bourdonnement de 31 Hz a été réduit de 45 dB(A) à 35 dB(A), et le niveau de pression acoustique totale du bruit routier est passé de 65,5 dB(A) à 63,7 dB(A). Des évaluations subjectives ont confirmé l’élimination de la sensation de bourdonnement gênante, marquant une amélioration significative du confort des passagers.
Implications plus larges pour le développement NVH des véhicules électriques
Les résultats de cette étude ont des implications de grande portée pour l’industrie automobile, notamment à mesure que l’adoption des véhicules électriques continue de croître. Contrairement aux véhicules traditionnels à moteur à combustion interne, les VE ne bénéficient pas de l’effet de masquage du bruit du moteur, rendant les problèmes NVH – en particulier les bruits basse fréquence – plus perceptibles pour les passagers.
L’étude souligne l’importance d’une approche holistique du développement NVH, qui considère non seulement les composants individuels, mais aussi leurs interactions. L’introduction de la transmissibilité de force de la suspension comme métrique clé fournit aux constructeurs une nouvelle herramaille pour évaluer et optimiser les systèmes de suspension. De même, l’analyse détaillée du couplage entre la hayon et la cavité acoustique offre des connaissances précieuses pour la conception des véhicules à deux volumes, de plus en plus populaires sur le marché des VE.
De plus, l’étude comble une lacune critique dans la littérature existante, qui s’est traditionnellement concentrée sur le bourdonnement lié au moteur. Avec la présence croissante des VE, le bruit routier ne fera qu’augmenter en importance, rendant cette recherche opportune et pertinente.
Pertinence pratique et développements futurs
Les solutions proposées par l’équipe ne sont pas seulement théoriquement fondées, mais aussi praticables à mettre en œuvre – un aspect crucial pour les constructeurs. L’ajustement de la rigidité des supports et des silent-blocks, ainsi que l’optimisation des contraintes de la hayon, ne nécessitent pas de changements de conception radicaux, mais peuvent être intégrés dans les processus de production existants.
Des recherches futures pourraient s’appuyer sur ces résultats pour examiner des problèmes de bourdonnement similaires dans d’autres types de véhicules. En particulier, l’ajustement des modes et des mécanismes de couplage pourrait servir de modèle pour le développement de nouvelles stratégies d’optimisation NVH, spécifiquement adaptées aux besoins des VE.
De plus, l’intégration d’outils de simulation avancés – comme la méthode des éléments finis (MEF) pour les analyses de couplage vibroacoustique – pourrait améliorer davantage l’efficacité du développement NVH. En combinant simulation et validation expérimentale, les constructeurs pourraient identifier et résoudre les problèmes de bourdonnement dès les premières phases de développement, économisant du temps et des coûts.
Cas d’application industriel : De la recherche à la production
L’une des forces de cette étude réside dans sa transposabilité directe à l’industrie. Les modifications proposées ont été testées sur un prototype de série limitée de l’SUV électrique en question, avec des résultats concluants lors des essais routiers finals. Les conducteurs et passagers impliqués dans les tests subjectifs ont rapporté une réduction notable de la sensation de bourdonnement, avec 90 % des participants affirmant ne plus percevoir de gêne à 60 km/h sur des surfaces rugueuses.
Cette réussite a incité le Geely à intégrer ces optimisations dans la ligne de production de l’SUV électrique, avec des ajustements mineurs des processus de montage pour adapter la fixation des silent-blocks et la calibration de la hayon. Les premières unités produites avec ces modifications ont été lancées sur le marché chinois en mars 2024, recevant des critiques positives pour leur confort acoustique amélioré.
Impact environnemental et économique
Outre le confort des passagers, les optimisations NVH peuvent également avoir un impact positif sur l’efficacité énergétique des VE. En réduisant les vibrations excessives, on diminue l’usure prématurée des composants, allongeant leur durée de vie et réduisant les coûts de maintenance. De plus, un véhicule plus silencieux peut se vendre à un prix premium, offrant aux constructeurs un avantage compétitif sur le marché.
D’un point de vue environnemental, la réduction du bruit routier contribue à améliorer la qualité de vie dans les zones urbaines, alignant les VE sur les réglementations anti-bruit de plus en plus strictes dans de nombreux pays. Cela renforce la position des véhicules électriques comme une solution durable, à la fois en termes d’émissions de CO₂ et de pollution sonore.
Conclusion
La mitigation réussie du bourdonnement de 31 Hz dans l’SUV électrique démontre la puissance de l’analyse ingénierie systématique et de la résolution innovante des problèmes. En combinant modélisation théorique, tests pratiques et optimisations, l’équipe de l’Institut de Recherche Automobile Geely a non seulement résolu un problème NVH spécifique, mais aussi contribué des connaissances précieuses au domaine plus large de l’ingénierie automobile.
À mesure que l’industrie continue de repousser les limites des performances et du confort des VE, des études comme celle-ci joueront un rôle vital pour garantir que les véhicules électriques répondent et dépassent les attentes des consommateurs en matière de conduite silencieuse et confortable.
Huang Yinglai, Zhao Mingbin et Shan Xile sont des ingénieurs à l’Institut de Recherche Automobile Geely (Ningbo) Co., Ltd., situé à Ningbo, Zhejiang, Chine. Leur recherche a été publiée dans la revue Noise and Vibration Control, Volume 44, Numéro 5, octobre 2024. Le DOI de l’article est 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.05.046.