El cambio de la industria automotriz hacia los vehículos eléctricos (VE) ha traído consigo una nueva serie de retos, especialmente en el ámbito del ruido, vibración y dureza (NVH, por sus siglas en inglés). Entre ellos, el zumbido por ruido de carretera –sobre todo en el rango de baja frecuencia por debajo de 50 Hz– se ha convertido en un problema crítico que afecta la comodidad de los ocupantes. Un estudio reciente publicado en la revista Noise and Vibration Control profundiza en los mecanismos detrás de un zumbido específico de 31 Hz en un SUV eléctrico, ofreciendo soluciones innovadoras que podrían redefinir la forma en que los fabricantes de automóviles abordan el desarrollo NVH.
La investigación, dirigida por Huang Yinglai, Zhao Mingbin y Shan Xile del Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., se centra en un SUV eléctrico de dos volúmenes con puerta trasera basculante que presentaba un zumbido de baja frecuencia significativo en la fila delantera durante la conducción a velocidad constante. Lo que distingue a este estudio es su investigación sistemática sobre el zumbido inducido por la carretera, un tema que ha recibido menos atención en comparación con el zumbido relacionado con el motor en vehículos tradicionales.
El problema: un zumbido persistente de 31 Hz
Durante las pruebas, el equipo observó que cuando el vehículo circulaba a una velocidad constante de 60 km/h por carreteras rugosas, la fila delantera experimentaba un ruido de baja frecuencia pronunciado con un pico a 31 Hz, alcanzando los 45 dB(A). Cabe destacar que la fila trasera se mantuvo relativamente indemne, un detalle que posteriormente resultaría crucial para identificar la causa raíz.
Las evaluaciones iniciales descartaron problemas relacionados con los neumáticos. A pesar de que los neumáticos de vehículos eléctricos están diseñados para ser más duros, anchos y planos para cumplir con requisitos de baja resistencia al rodaje y cargas –factores que típicamente empeoran el ruido de carretera–, el análisis modal de los neumáticos no mostró correlación entre las características estructurales del neumático y el pico de 31 Hz. Las pruebas sobre las funciones de transferencia de vibración de los neumáticos desde la banda de rodadura hasta el centro de la rueda revelaron que las direcciones X y Z no presentaban picos coincidentes a 31 Hz, eliminando al neumático como fuente principal.
Rastreando la ruta de vibración: transmisibilidad de fuerza de la suspensión
La investigación luego se centró en el sistema de suspensión del vehículo, un componente clave en la transferencia de vibraciones inducias por la carretera a la cabina. Los investigadores introdujeron el concepto de transmisibilidad de fuerza de la suspensión como una métrica crítica para evaluar la efectividad con la que se transmiten las vibraciones a través de la suspensión.
Al establecer un modelo detallado del sistema de suspensión trasera, el equipo analizó la transferencia de fuerza desde la rueda hasta la carrocería del vehículo a través de las bujías. El modelo consideró las velocidades de vibración en ambos lados de las bujías (lado de la suspensión y lado de la carrocería), así como las fuerzas que actúan sobre ellas. A través de este análisis, identificaron un pico significativo en la transmisibilidad de fuerza de la suspensión a 31 Hz, que coincidía perfectamente con la frecuencia de zumbido observada.
Pruebas modales adicionales de la suspensión trasera revelaron un modo de cuerpo rígido a 30 Hz en el grado de libertad RY (rotación alrededor del eje Y). Esta frecuencia modal resultó ser el principal motor detrás de la transmisibilidad de fuerza elevada a 31 Hz. El análisis del equipo reveló que la rigidez del soporte trasero del motor y las bujías traseras del subchasis tenían un impacto sustancial en esta frecuencia modal RY.
El papel de la estructura de la carrocería y el acoplamiento vibroacústico
Si bien el sistema de suspensión jugó un papel fundamental en la transmisión de vibraciones, la respuesta de la carrocería del vehículo a estas vibraciones fue igualmente crítica. Los investigadores realizaron pruebas de función de transferencia de ruido de la carrocería, que consistieron en excitar varios puntos de montaje de la suspensión y medir el ruido resultante en la cabina.
Los resultados fueron sorprendentes: los puntos de montaje del subchasis trasero exhibieron una alta función de transferencia de ruido, especialmente cuando se excitó en la dirección Z, con amplitudes que alcanzaron los 60 dB en el rango de 30-40 Hz. Esto indicó que la carrocería del vehículo era excesivamente sensible a las vibraciones en dirección Z en los soportes del subchasis trasero, amplificando el ruido en la cabina.
Una exploración más profunda en las funciones de transferencia de vibración y ruido de la puerta trasera reveló un pico claro alrededor de 30 Hz, lo que sugirió que las características modales de la puerta trasera estaban estrechamente ligadas al problema de zumbido. Esto llevó al equipo a explorar la interacción compleja entre la puerta trasera y la cavidad acústica interior del vehículo –un fenómeno conocido como acoplamiento vibroacústico.
Desentrañando el mecanismo de acoplamiento vibroacústico
Los investigadores desarrollaron un modelo teórico para analizar el acoplamiento entre la puerta trasera y la cavidad acústica interior. Tratando la puerta trasera como un cuerpo rígido que vibra en dirección x y otras fronteras como rígidas, derivaron ecuaciones que gobiernan la distribución de presión acústica y la velocidad de partículas dentro de la cavidad.
Sus hallazgos revelaron una idea crucial: el zumbido de 31 Hz fue el resultado de la adaptación de impedancia entre la frecuencia modal de primer orden de la puerta trasera y la cavidad acústica. Cuando la impedancia de vibración de la puerta trasera coincide con la impedancia acústica de la cavidad, se produce una resonancia, creando una nueva frecuencia propia que no existiría si la puerta trasera fuera una frontera rígida. Esto explica por qué los vehículos de dos volúmenes, con su diseño de puerta trasera distintivo, son particularmente propensos a este tipo de zumbido.
El modelo también ayudó a explicar la disparidad entre delante y detrás en la percepción del ruido. A 31 Hz, el patrón de onda estacionaria dentro de la cabina crea un vientre de presión cerca de los reposacabezas de la fila delantera y un nodo cerca de los reposacabezas de la fila trasera, lo que resulta en el zumbido pronunciado en la fila delantera.
Soluciones innovadoras: de la teoría a la práctica
Dotados de una comprensión integral del mecanismo de zumbido, el equipo de investigación propuso una estrategia de optimización multifacética:
- Ajuste del modo de cuerpo rígido de la suspensión: Al aumentar la rigidez del soporte trasero del motor y las bujías traseras del subchasis, el equipo logró desplazar con éxito la frecuencia modal RY desde 30 Hz a más de 35 Hz. Este ajuste redujo significativamente la transmisibilidad de fuerza de la suspensión en el rango de 28-35 Hz, cortando la ruta principal de transmisión de vibraciones.
- Control modal de la carrocería: Modificaciones dirigidas a la estructura de la carrocería del vehículo tuvieron como objetivo reducir su sensibilidad a las vibraciones en dirección Z en los soportes del subchasis trasero. Esto incluyó refuerzos estratégicos para alterar las frecuencias naturales de la carrocería, evitando la resonancia con las vibraciones inducidas por la suspensión.
- Optimización de las restricciones de la puerta trasera: El equipo instaló mangueras especializadas dentro de las juntas de estanqueidad izquierda y derecha de la puerta trasera y aumentó la interferencia de los bloques amortiguadores de la puerta trasera. Estas medidas redujeron eficazmente la amplitud de la puerta trasera, minimizando su papel en la excitación de la cavidad acústica.
Los resultados de estas optimizaciones fueron impresionantes. El zumbido de 31 Hz se redujo desde 45 dB(A) a 35 dB(A), y el nivel total de presión acústica del ruido de carretera descendió desde 65.5 dB(A) a 63.7 dB(A). Las evaluaciones subjetivas confirmaron la eliminación de la sensación de zumbido molesto, lo que marcó una mejora significativa en la comodidad de los ocupantes.
Implicaciones más amplias para el desarrollo NVH de vehículos eléctricos
Los hallazgos de este estudio tienen implicaciones de gran alcance para la industria automotriz, especialmente a medida que la adopción de vehículos eléctricos continúa creciendo. A diferencia de los vehículos tradicionales con motor de combustión interna, los vehículos eléctricos carecen del efecto de enmascaramiento del ruido del motor, lo que hace que los problemas NVH –especialmente los ruidos de baja frecuencia– sean más perceptibles para los ocupantes.
El estudio resalta la importancia de un enfoque holístico en el desarrollo NVH, que considere no solo componentes individuales, sino también sus interacciones. La introducción de la transmisibilidad de fuerza de la suspensión como métrica clave proporciona a los fabricantes de automóviles una nueva herramienta para evaluar y optimizar los sistemas de suspensión. Del mismo modo, el análisis detallado del acoplamiento entre la puerta trasera y la cavidad acústica ofrece conocimientos valiosos para el diseño de vehículos de dos volúmenes, que son cada vez más populares en el mercado de vehículos eléctricos.
Además, el estudio llena una brecha crítica en la literatura existente, que tradicionalmente se ha centrado en el zumbido relacionado con el motor. A medida que los vehículos eléctricos ganan mayor presencia, el ruido de carretera solo cobrará más importancia, lo que hace que esta investigación sea oportuna y relevante.
Relevancia práctica y desarrollos futuros
Las soluciones propuestas por el equipo no solo están fundamentadas teóricamente, sino también son prácticas de implementar –un aspecto de gran importancia para los fabricantes de automóviles. El ajuste de la rigidez de los soportes y bujías, así como la optimización de las restricciones de la puerta trasera, no requieren cambios de diseño drásticos, sino que pueden integrarse en los procesos de producción existentes.
Investigaciones futuras podrían basarse en estos resultados para examinar problemas de zumbido similares en otros tipos de vehículos. En particular, el ajuste de modos y mecanismos de acoplamiento podría servir como modelo para el desarrollo de nuevas estrategias de optimización NVH, adaptadas específicamente a las necesidades de los vehículos eléctricos.
Además, la integración de herramientas de simulación avanzadas –como el método de elementos finitos (MEF) para análisis de acoplamiento vibroacústico– podría aumentar aún más la eficiencia del desarrollo NVH. Al combinar simulación y validación experimental, los fabricantes podrían detectar y solucionar problemas de zumbido ya en las primeras etapas del desarrollo, lo que ahorraría tiempo y costos.
Conclusión
La mitigación exitosa del zumbido de 31 Hz en el SUV eléctrico demuestra el poder del análisis de ingeniería sistemático y la resolución innovadora de problemas. Al combinar modelado teórico, pruebas prácticas y optimizaciones, el equipo del Geely Automobile Research Institute no solo resolvió un problema NVH específico, sino que también contribuyó conocimientos valiosos al campo más amplio de la ingeniería automotriz.
A medida que la industria continúa avanzando en la frontera del rendimiento y la comodidad de los vehículos eléctricos, estudios como este jugarán un papel vital en garantizar que los vehículos eléctricos cumplan y superen las expectativas de los consumidores en términos de conducción silenciosa y confortable.
Huang Yinglai, Zhao Mingbin y Shan Xile son ingenieros del Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., con sede en Ningbo, Zhejiang, China. Su investigación fue publicada en la revista Noise and Vibration Control, Volumen 44, Número 5, octubre de 2024. El DOI del artículo es 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.05.046.