基于快速識別流程的汽車內(nèi)轟鳴聲控制研究

趙向陽，侯鎖軍

(河南機電高等?？茖W(xué)校，河南新鄉(xiāng)453003)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise，Vibration，Harshness，簡稱 NVH)問題越來越受到汽車企業(yè)和消費者的重視，在汽車使用過程中，往往會存在很多的NVH問題，其中又以車內(nèi)低頻轟鳴聲最為常見.由于低頻轟鳴聲成因較多且復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)不明原因的轟鳴聲時，如何快速、準(zhǔn)確的找到問題源就成了解決問題的關(guān)鍵。目前，已有解決關(guān)于低頻轟鳴聲的研究［1-7］，但是對于此類問題快速識別流程的研究則較為少見。本研究針對某國產(chǎn)轎車在3檔3 400 r·min-1出現(xiàn)車內(nèi)低頻轟鳴的問題，首先建立了一整套完整、有效的問題源快速識別流程，然后利用該流程發(fā)現(xiàn)右側(cè)傳動軸一階模態(tài)頻率與車內(nèi)空腔二階模態(tài)頻率耦合是導(dǎo)致這一問題的根源，為了解決這一問題，制作了一個動力吸振器并安裝于傳動軸上，最后的整車試驗結(jié)果表明該方案能夠有效緩解車內(nèi)的低頻轟鳴，同時也證明了本研究建立的快速識別流程的有效性和正確性。

1 快速識別流程的建立

本文建立的問題源快速識別流程如圖1所示。

該快速識別流程包含有針對整車的工作和針對系統(tǒng)的工作，整車級別工作應(yīng)先于系統(tǒng)級別工作。

1.1 特征分析

所謂特征分析就是指對于車內(nèi)低頻轟鳴聲及相關(guān)振動信號進(jìn)行采集和時域/頻域分析，通過分析可以獲得低頻聲音/振動的頻率特征、相位特征、幅值特征、聲音發(fā)生的工況、時長等信息，必要時還應(yīng)進(jìn)行高保真錄音，以便回放識別。

圖1 問題源快速識別流程Fig.1 IThe fast identifying process of problem source

1.2 分類定位

汽車雖然由上百個零件組成，但其往往可以分成幾個大的系統(tǒng)，而每一個系統(tǒng)都有其基本的NVH特征［8］，利用上一步獲得的信息并結(jié)合系統(tǒng)的NVH特征，就可以進(jìn)一步縮小定位范圍。

1.3 重點篩查

通過上一步后往往可以將問題定位于某一個大的系統(tǒng)，例如傳動系、發(fā)動機或進(jìn)排氣等，為了進(jìn)一步定位，就需要在系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵位置布置傳感器，尤其是一些耦合點或彈性元件附近。

1.4 信號分析

對上一步中獲取的傳感器信號進(jìn)行逐一分析，比對其與車內(nèi)低頻轟鳴聲在時域和頻域上的相關(guān)性，如果二者存在較高的相關(guān)性，則可以進(jìn)一步縮小范圍到部件級別，如果相關(guān)性不高則需要重復(fù)第二步至第四步，直至找到相關(guān)性較高的部件。

1.5 系統(tǒng)分析

經(jīng)過上一步，問題往往被定位在一個部件級別，如剎車系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)等，但具體是零件本身的問題，還是零件匹配的問題，還需要進(jìn)一步的識別，這時可以借助有限元分析、模態(tài)試驗等手段幫助定位。

1.6 確定問題，制定解決方案

經(jīng)過上一步后往往可以確定問題的根源，這時只需要綜合考慮成本、工藝及可行性等制定解決方案即可。

1.7 試驗驗證

制定好了解決方案后需要將其安裝到實車進(jìn)行驗證，如果問題解決，則整個流程結(jié)束。如果措施沒有效果，則需要重復(fù)1.2至1.7。

2 快速識別流程的應(yīng)用

某國產(chǎn)轎車在3檔行駛過程中，在3 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)較為明顯的低頻轟鳴聲，其中以后排左側(cè)乘員位置尤為明顯，為了找到原因并解決該問題，利用本研究建立的快速識別流程對該問題進(jìn)行分析。

2.1 車內(nèi)噪聲信號分析

為了獲取車內(nèi)噪聲信號特征，使用 LMS_TestLab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲進(jìn)行采集，試驗測點包括駕駛員左耳、前排乘員右耳、后排左側(cè)乘員左耳、后排左側(cè)乘員右耳，同時采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，試驗工況為3檔全油門加速1 000～5 000 r·min-1。后排左側(cè)乘員左耳試驗結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 后排左側(cè)乘員左耳噪聲Fig.2 Noise around the back-left passenger’s left ear

圖3 后排左側(cè)乘員左耳噪聲頻譜Fig.3 Noise spectrum around the back-left passenger’s left ear

通過試驗結(jié)果可以看出，3檔3 400 r·min-1時在后排左側(cè)乘員左耳位置出現(xiàn)明顯噪聲峰值，該工況下主要頻率成分為112 Hz。

2.2 底盤篩查

由于噪聲的主要頻率成分為112 Hz，可以引起這樣低頻的系統(tǒng)包括底盤系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)(包含進(jìn)排氣、懸置及發(fā)動機本身)和車身系統(tǒng)，由于試驗中發(fā)現(xiàn)在3檔全收油滑行至3 400 r·min-1時依然有這樣的問題，說明該問題與發(fā)動機系統(tǒng)無關(guān)，為了進(jìn)一步縮小定位范圍，分別在右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)上(懸架與傳動軸的耦合點)和右側(cè)懸架上支點(懸架與車身耦合點)分別布置1個三向加速度傳感器，在車內(nèi)4個測點布置麥克風(fēng)(布置位置同上)，同時跟蹤采集右側(cè)傳動軸的轉(zhuǎn)速信號，試驗工況為3檔全油門加速1 000～5 000 r·min-1(3檔速比為5.04，對應(yīng)傳動軸轉(zhuǎn)速范圍198～992 r·min-1)。其中右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)測點布置在轉(zhuǎn)向節(jié)右側(cè)靠近轉(zhuǎn)向節(jié)一側(cè);傳動軸轉(zhuǎn)速信號測點布置在傳動軸內(nèi)側(cè)。試驗結(jié)果表明，右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)的Y向振動信號與后排左側(cè)乘員位置噪聲信號有較強的相關(guān)性，試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 后排左側(cè)乘員左耳噪聲WallterfallFig.4 Wallterfall of the noise around the back-left passenger’s left ear

圖5 右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)Y向振動WallterfallFig.5 Wallterfall of the right steering knuckle Y-direction vibration

從圖4、圖5可以看出，在傳動軸683 r·min-1(對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 442 r·min-1)時，114 Hz的峰值在轉(zhuǎn)向節(jié)及車內(nèi)均出現(xiàn)了，說明兩者之間具有較強的相關(guān)性，同時還可以看出峰值具有明顯的階次特性，說明該峰值與旋轉(zhuǎn)運動有關(guān)，在轉(zhuǎn)向節(jié)附近滿足上述條件的系統(tǒng)有車輪和傳動軸，3檔3 400 r·min-1工況下，車速約90 km·h-1，樣車輪胎型號為255/45 R16，故輪胎激勵頻率小于10 Hz，所以基本可以判定，該低頻轟鳴聲是由傳動軸引起的。

2.3 系統(tǒng)分析

現(xiàn)已基本判定是由于傳動軸的振動引起了車內(nèi)的低頻轟鳴，但傳動軸振動的原因及該振動如何引發(fā)車內(nèi)低頻轟鳴還無法判定，為了確定這2個問題，現(xiàn)分別針對傳動軸和車身進(jìn)行分析。

2.3.1 傳動軸系統(tǒng)分析

傳動軸引起振動主要有2種原因，一種為傳動軸本身的動不平衡，一種為本身的固有模態(tài)被激勵起來。為了確定原因，本研究使用CATIA建立了傳動軸的三維實體模型并將其導(dǎo)入到Hyper-Mesh中劃分網(wǎng)格，并使用Hyper-Optistruct對右側(cè)傳動軸進(jìn)行了模態(tài)計算［9，10］，為了驗證模態(tài)計算的結(jié)果，采用錘擊法進(jìn)行了傳動軸的模態(tài)試驗，前4階模態(tài)結(jié)果對比如表1所示。

表1 傳動軸模態(tài)結(jié)果對比Table 1 The modal-result contrast of drive shaft

由表1可以看出，傳動軸一階模態(tài)頻率為112 Hz，與轉(zhuǎn)向節(jié)處的振動主成分頻率112 Hz相等，這樣的結(jié)果即可判定傳動軸的振動是由于自身固有模態(tài)被激勵起來導(dǎo)致的。

2.3.2 車身系統(tǒng)分析

為了解車內(nèi)空腔的聲學(xué)特性，本研究建立了車內(nèi)空腔的三維實體模型，并進(jìn)行了空腔模態(tài)的計算，獲取的模態(tài)結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)空腔模態(tài)結(jié)果Table 2 The modal-results of car cavity

由表2可以看出，車內(nèi)空腔的二階模態(tài)頻率為119.7 Hz，與車內(nèi)低頻轟鳴聲的主頻率成分相近，故基本可以判定車內(nèi)低頻混響是由于車內(nèi)空腔共振導(dǎo)致。

至此，產(chǎn)生低頻轟鳴聲的問題根源已經(jīng)確定，為傳動軸模態(tài)與車內(nèi)空腔模態(tài)的耦合，其能量路徑為由于右側(cè)傳動軸受到發(fā)動機的激勵(3 400 r·min-1)，使得傳動軸出現(xiàn)一階模態(tài)共振(112 Hz)，該振動能量通過轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架傳遞到車身系統(tǒng)，從而引發(fā)了車內(nèi)空腔二階模態(tài)共振(119.7Hz)，最終導(dǎo)致車內(nèi)在3檔3 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)低頻轟鳴聲。

3 優(yōu)化措施與試驗驗證

為了解決傳動軸一階模態(tài)與車內(nèi)空腔二階模態(tài)耦合的問題，綜合考慮成本、安裝空間及效果等因素，制作了一個動力吸振器安裝于傳動軸上.為了驗證優(yōu)化措施的效果，分別將優(yōu)化前后的傳動軸安裝于汽車上進(jìn)行驗證，試驗結(jié)果如圖6-圖9所示。

圖6 駕駛員左耳噪聲Fig.6 Noise around driver’s left ear

圖7 前排乘員右耳噪聲Fig.7 Noise around front passenger’s right ear

圖8 后排左側(cè)乘員左耳噪聲Fig.8 Noise around back-left passenger’s left ear

圖9 后排右側(cè)乘員右耳噪聲Fig.9 Noise around back-right passenger’s right ear

從圖6-圖9可以看出，傳動軸優(yōu)化后車內(nèi)噪聲水平明顯提高，3檔3 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下的低頻轟鳴聲衰減明顯，尤其是后排左側(cè)乘員左耳位置的噪聲水平改善較為明顯，以上結(jié)果說明本文所采取的優(yōu)化措施是正確、有效的。

4 結(jié)論

1)本文提出的問題源快速識別流程是正確、有效的，其可以應(yīng)用于NVH問題的快速識別診斷，該流程是按照由整車到總成系統(tǒng)，再到子系統(tǒng)，最后到零部件這樣的邏輯由繁瑣到簡單對問題進(jìn)行定位，這樣的解決問題的邏輯不僅僅是針對NVH問題有效，對于其他種類的問題，也一樣遵循該邏輯.所以該流程對于指導(dǎo)這一類工程實際問題具有重要價值，同時對于類似問題也具有一定的參考價值。

2)傳動軸優(yōu)化前后的試驗結(jié)果表明，本研究提出的優(yōu)化措施可以有效解決車內(nèi)出現(xiàn)的低頻轟鳴聲.同時還可以看到，在底盤件引起的NVH問題中，由于零件本身為底盤件，其與整車操控性能、制動性能等密切相關(guān)，所以在實際解決問題時，往往不會更改零件本身，而是采用動力吸振器等的被動吸收能量的手段來解決零件引起的NVH問題。

3)本文中出現(xiàn)的這一低頻轟鳴聲問題是由于模態(tài)耦合造成的，這說明在車輛開發(fā)階段，正確、合理地進(jìn)行模態(tài)分布是非常必要的.雖然本研究傳動軸位于車輛前部，但是卻在車內(nèi)后排左側(cè)乘員位置引起了較大的低頻轟鳴聲，從這一點可以看出，在進(jìn)行NVH問題聲源定位時，不能僅僅著眼于問題發(fā)生的物理位置，而是應(yīng)結(jié)合經(jīng)驗與客觀數(shù)據(jù)，全面排查，重點分析，最終才能確定問題來源。

［1］ SUNG-HWAN S H，JEONG-GUON I H，TAKEO H，et al.Sound quality evaluation of the booming sensation for passenger cars［J］.Applied Acoustics，2009，70(2):309-320.

［2］ SEIFZADEH A，PIETRZYK A，GORANSSON P，et al.Experimental investigation of coupling effectsof passenger compartment and trunk of a car on coupled system natural frequencies using noise transfer function［J］.Applied Acoustics，2014，83:16-21.

［3］ HYUN H L，SANG K L.Objective evaluation of interior noise booming in a passenger car based on sound metrics and artificial neural networks［J］.Applied Ergonomics，2009，40(5):860-869.

［4］ HILLS E，MACE R，F(xiàn)ERGUSON S.Acoustic response variability in automotive vehicles［J］.Journal of Sound and Vibration，2009，321(2):286-304.

［5］ WOO LEE J，MOO LEE J.Forced vibro-acoustical analysis for a theoretical model of a passenger compartment with a trunk，Part II:Experimental part［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，299(5):918-932.

［6］ MISOL M，ALGERMISSEN S，MONNER P.Experimental investigation of different active noise control concepts applied to a passenger car equipped with an active windshield［J］.Journal of Sound and Vibration，2012，331(10):2209-2219.

［7］ BELGACEM W，BERRY A，MASSON P.Active vibration control on a quarter-car for cancellation of road noise disturbance［J］.Journal of Sound and Vibration，2012，331(14):3240-3254.

［8］ 龐 劍，諶 剛，何 華.汽車噪聲與振動:理論與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.

［9］ 洪清泉，趙 康，張 攀.OptiStruct＆ HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2013.

［10］ 李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.