某前置后驅(qū)車型車內(nèi)噪聲的改善研究

石月奎，徐麗梅，張志紅，王福君

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.天津矢崎汽車配件有限公司，天津 300457；3.天津科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300222）

某前置后驅(qū)車型車內(nèi)噪聲的改善研究

石月奎1，徐麗梅2，張志紅3，王福君1

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.天津矢崎汽車配件有限公司，天津 300457；3.天津科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津 300222）

為解決某前置后驅(qū)車型在高速行駛工況車內(nèi)存在轟鳴聲及車身漏氣聲和傳動系透過聲過大的問題，根據(jù)影響車內(nèi)噪聲因素的頻率特點(diǎn)，針對車身漏氣聲大、傳動系透過聲大的問題采用提高車身密封性和中通位置隔吸聲性能的辦法解決；針對由后橋主減齒輪嚙合振動激勵引起的轟鳴聲，采用等高齒的嚙合齒形后橋降低了高速行駛車內(nèi)的低頻轟鳴聲，提高了乘坐舒適性。

前置后驅(qū)；傳動系統(tǒng)；主減 ；轟鳴聲

石月奎

北京航空航天大學(xué)畢業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)任中國汽車技術(shù)研究中心工程師，主要研究方向?yàn)檎囌駝雍驮肼?，車身中高頻FE-SEA混合建模及分析，已發(fā)表供油系統(tǒng)對柴油機(jī)及車內(nèi)噪聲影響的研究，變速箱齒輪噪聲機(jī)理及應(yīng)對措施研究等多篇專業(yè)論文。

1 引言

隨著汽車消費(fèi)者對汽車車內(nèi)噪聲和振動的要求越來越高，各個(gè)主機(jī)廠在車型開發(fā)過程中也越來越重視汽車的振動噪聲方面的性能。發(fā)動機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)的過程中只有做功行程是產(chǎn)生動力的，而其他三個(gè)行程是靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)的，這樣就產(chǎn)生了扭矩波動[1]，對于前置后驅(qū)車型來說，在行駛過程中很容易受扭矩波動的影響產(chǎn)生轟鳴聲。

本文中所研究前置后驅(qū)的MPV車型在高速行駛工況（如100 km/h和120 km/h），車內(nèi)噪聲明顯增大（特別是第三排的乘員），乘坐舒適性較差，同時(shí)車內(nèi)地板的振動也較大；另外，在加速過程中，車內(nèi)同樣也能感覺來自后排的噪聲和振動。從控制傳遞路徑的方面，對整車氣密性和聲學(xué)包方面進(jìn)行了改進(jìn)，降低了車身漏氣聲和傳動系統(tǒng)向車內(nèi)傳遞的能量；從控制振動噪聲源方面，通過改變后橋主減齒型，降低了由于扭矩波動引起后橋主減齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的振動，從而消除了車內(nèi)轟鳴聲，提高乘坐舒適性。

2 影響車內(nèi)噪聲的因素及控制方法

和車外噪聲相比，車內(nèi)噪聲沒有國標(biāo)或者限值等要求的限制，但車內(nèi)噪聲直接影響著乘客的舒適性，因而車企也開始重視車內(nèi)噪聲的控制，投入了大量的資源去研究。根據(jù)聲源和傳播途徑的不同可以將影響車內(nèi)噪聲的因素分為結(jié)構(gòu)聲和空氣聲，如圖1：

一般認(rèn)為，500 Hz以下結(jié)構(gòu)聲也就是固體傳聲占主導(dǎo)地位，500 Hz以上空氣聲傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位。

2.1 結(jié)構(gòu)聲產(chǎn)生原因及控制措施

一般情況下，車內(nèi)的低頻噪聲主要由結(jié)構(gòu)傳遞的。在發(fā)動機(jī)、傳動系和路面等多種振動激勵下，引起車身的振動，車身又是由大量的金屬壁板和骨架等組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以車身的振動響應(yīng)十分復(fù)雜，對于結(jié)構(gòu)聲，可以采用傳遞路徑的分析法。每種激勵都有其各自不同的傳遞路徑，經(jīng)過車身的振動衰減，傳遞到車內(nèi)。假設(shè)有A個(gè)激勵力，并通過多個(gè)路徑傳遞到車內(nèi)，每個(gè)激勵力又分為x、y、z三個(gè)方向，每一個(gè)激勵分量和車內(nèi)的響應(yīng)都有一條傳遞路徑相關(guān)聯(lián)[2]。以車內(nèi)噪聲的聲壓級響應(yīng)為例，通過某一條路徑的激勵而產(chǎn)生的響應(yīng)可以表達(dá)為：

式中：Hi( ω)為該路徑的傳遞函數(shù)；Fi(ω)為某一激勵力的力譜。

由結(jié)構(gòu)路徑引起車內(nèi)噪聲的聲壓級可表達(dá)為

式中：N為結(jié)構(gòu)路徑的個(gè)數(shù)。

對于由發(fā)動機(jī)振動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)聲（4缸發(fā)動機(jī)為2階激勵，頻率范圍為 20 Hz～200 Hz）需要對動力總成懸置的隔振性能及支架的模態(tài)特別關(guān)注。

對于傳動系引起的結(jié)構(gòu)聲，一般也都是源于發(fā)動機(jī)的扭矩波動導(dǎo)致變速箱、傳動軸、后橋等零部件的受迫振動和齒輪嚙合撞擊，通過傳動軸的支撐支架、后橋和車身的連結(jié)點(diǎn)傳遞到車內(nèi)，可以通過改變變速箱齒輪齒型、離合器剛度阻尼、傳動軸的布置角度、后橋嚙合齒的參數(shù)（如齒形、齒高、模數(shù)、壓力角和重合度等）降低傳動系的振動響應(yīng)[3]。

對于路面導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)聲，需要調(diào)整懸架的剛度、阻尼，增大對路面激勵的衰減。

根據(jù)傳遞路徑的分析方法，降低結(jié)構(gòu)聲可以從激勵源即Fi( ω)為和傳遞路徑即Hi(ω)兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。本文所研究的車型在高速行駛時(shí)的轟鳴聲就是源于后橋齒輪的嚙合沖擊振動，通過橋殼、懸架等路徑傳遞到車身，引起壁板振動而產(chǎn)生的。運(yùn)用階次分析的手段找到峰值頻率及產(chǎn)生的原因，通過優(yōu)化齒型、加強(qiáng)橋殼等方法降低了傳遞到車身上的齒輪嚙合振動，從而降低了車內(nèi)的轟鳴聲。

2.2 空氣聲產(chǎn)生原因及控制措施

汽車行駛過程中，空氣高速流動和車身外表面接觸相互作用就產(chǎn)生空氣動力噪聲，一般會通過車身AB柱、車門與車身間的縫隙及車身上的孔洞傳遞到車內(nèi)形成了漏氣聲；此外，發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲、變速箱和后橋等齒輪機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下齒輪的嚙合噪聲也會通過車身傳遞到車內(nèi)。

對于空氣聲來說，首先要保證車身有良好的密封性能，對于因密封不好而導(dǎo)致的漏氣聲，可以通過提高車身的靜態(tài)密封和動態(tài)密封來解決[4]，主要通過提高白車身的密封性能、提高車門密封條的接觸面積、減小A柱及后視鏡位置的泄漏和對車身進(jìn)行空腔填充等方法實(shí)現(xiàn)。

其次，要提高車身的隔吸聲性能，對于由動力總成及傳動系產(chǎn)生的，傳遞到車內(nèi)的透過聲，需要從車身的聲學(xué)包裝的方面入手，對前圍、地毯和中通等位置要進(jìn)行隔吸聲地特別處理，如采用三明治結(jié)構(gòu)的隔聲吸聲棉。

本文中所研究的車型整車氣密性較差，且在中通位置并沒有對聲包進(jìn)行特別處理（隔聲性能較差），所以在高速行駛時(shí)車內(nèi)能明顯聽到車身泄漏聲和傳動系的透過聲。通過提高整車氣密性和中通位置的隔吸聲性能降低了車身泄漏聲和傳動系的透過聲。

3 車身聲學(xué)包措施及驗(yàn)證

3.1 整車氣密性改進(jìn)

主觀感覺在高速行駛工況下駕駛員位置能明顯感覺到車身漏氣聲，初步判斷是由于整車氣密性差，高速行駛時(shí)車外高速氣流泄漏到車內(nèi)而導(dǎo)致的。首先對整車進(jìn)行了氣密性測試，測試結(jié)果見表1，

表1 整車氣密性結(jié)果（全封狀態(tài)）

從上表結(jié)果可以看到，初始狀態(tài)（在壓力為125 Pa時(shí)）的整車泄漏量為267.5 SCFM（standard cubic foot per minute 標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每分鐘），根據(jù)CATARC數(shù)據(jù)庫，目前主流車型一般都能低于120 SCFM，合資品牌的車型甚至能做到90 SCFM以下。通過查找發(fā)現(xiàn)主要的泄漏點(diǎn)為底盤焊縫、換擋桿與底盤地板連接處擋板、防火墻過孔，后輪輪包處焊縫，車窗密封條，后視鏡三角窗，及前圍地板等存在未封堵的孔。通過使用靜音阻尼片對焊縫、換擋位置、前圍及地板的過孔進(jìn)行了封堵，使用三元乙丙密封膠條和密封膠對車窗、后視鏡三角窗及門鎖等位置進(jìn)行了密封改進(jìn)處理。改進(jìn)后整車的泄漏量（壓力125 Pa時(shí)）降低到了124.5 SCFM。

車內(nèi)噪聲道路試驗(yàn)的測試結(jié)果見表2，測試工況為勻速100 km/h和120 km/h，測點(diǎn)為駕駛員右耳和三排中間兩個(gè)位置，

表2 氣密性改進(jìn)后勻速車內(nèi)噪聲結(jié)果

勻速120 km/h工況，駕駛員右耳位置頻譜對比圖，見圖3

從表2的測試結(jié)果上看，勻速100 km/h和120 km/h兩個(gè)工況下車內(nèi)兩個(gè)測點(diǎn)的噪聲值在氣密性改進(jìn)后都有一定的降低，特別是120 km/h工況降低更加明顯（駕駛員位置降低了1.3 dB(A)，三排位置降低了2.4 dB(A)），從圖3的駕駛員右耳位置頻譜的對比看，500 Hz以上頻率段均有所降低，通過使用靜音阻尼片和密封膠條等材料對泄漏點(diǎn)的封堵，可以提高整車的氣密性，降低高速行駛時(shí)由于氣流泄露到車內(nèi)而導(dǎo)致的噪聲（500 Hz以上為主要成分）。這和主觀感覺一致，提高整車氣密性后高速行駛時(shí)駕駛員位置的車身漏氣聲已經(jīng)有了明顯的降低。

3.2 中通位置聲學(xué)包改進(jìn)

高速行駛時(shí)除了能明顯感覺車身漏氣聲外，還能感覺到動力傳動系的透過聲，為了提高中通位置的隔聲性能，降低從變速器、傳動系統(tǒng)傳遞到車內(nèi)的聲能，對中通位置進(jìn)行了聲學(xué)包裝的改進(jìn)，原狀態(tài)和改進(jìn)后的照片對比，見圖4，

從圖4中可以看到原車狀態(tài)在換擋及手剎和儀表臺等位置均存在鈑金裸露的現(xiàn)象，改進(jìn)后將裸露位置均覆蓋吸音棉且在中通的塑料飾板內(nèi)也粘貼了吸音棉。通過在變速器位置布置一個(gè)高頻體積聲源，測試中通位置聲學(xué)處理前后隔聲量的變化，結(jié)果見圖5，

從隔聲量的對比結(jié)果看，從500 Hz以上均有1-2 dB的提高。經(jīng)過道路測試驗(yàn)證改進(jìn)后的效果，結(jié)果見表3，

表3 中通改進(jìn)后勻速車內(nèi)噪聲結(jié)果

從表3的測試結(jié)果上看，駕駛員右耳位置在100 km/h和120 km/h兩個(gè)工況下的聲壓級降低量均超過了1.5 dB(A)，效果較明顯，從圖6的駕駛員右耳頻率對比看，基本上在300 Hz以上的頻率段幅值均有所降低，說明通過在中通位置覆蓋隔吸聲材料，提高此部位的隔吸聲性能，可以有效地衰減動力傳動系透射到車內(nèi)的噪聲。

4 后橋優(yōu)化及驗(yàn)證

本文所研究的車型除了在高速行駛時(shí)車內(nèi)有漏氣聲和傳動系的透過聲較大之外，車內(nèi)還存在噪聲的共振峰值，在120 km/h工況最明顯，從圖3駕駛員右耳的頻譜圖可以看到，其頻率為76 Hz左右，由于其頻率較低，初步判斷是發(fā)動機(jī)的扭矩波動通過傳動軸傳遞到后橋，后橋內(nèi)主被齒輪在嚙合過程中不斷地產(chǎn)生振動沖擊，振動沖擊經(jīng)過軸承傳遞到橋殼上然后再傳遞到車內(nèi)，引起車身壁板振動從而產(chǎn)生噪聲峰值。本文所研究車型搭載的為四缸汽油機(jī)，在五檔120 km/h勻速行駛時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大約3 800 rpm，五檔速比為0.828。

發(fā)動機(jī)激勵的基頻為：

經(jīng)過變速器后，其激勵頻率為：

式中：i為變速器五檔的速比。

同時(shí)測試了主減位置（和傳動軸連接處）在勻速工況下的振動情況，振動測點(diǎn)布置如圖7中黃色圈處。

從圖8中的測試結(jié)果看（紅色線），勻速120 km/h工況，主減的Z向振動存在77.4 Hz的振動峰值（幅值達(dá)到10.65 m/s2），這個(gè)頻率和發(fā)動機(jī)作用在后橋主減上的基頻計(jì)算結(jié)果（76.4 Hz）及車內(nèi)噪聲峰值（76 Hz）吻合，可以確認(rèn)車內(nèi)峰值為主減主被動齒受發(fā)動機(jī)激勵產(chǎn)生振動沖擊，引起車身壁板振動而產(chǎn)生的[5]。

經(jīng)過確認(rèn)原車所用后橋的嚙合齒型為準(zhǔn)雙曲線齒即螺旋錐齒輪中的收縮齒。對于后橋來說，采用等高齒會有利于降低齒輪嚙合聲，等高齒采用連續(xù)滾刀加工工藝，齒線曲率大、重疊系數(shù)高，接觸區(qū)在輕微內(nèi)對角接觸等特點(diǎn)，故其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中傳動平穩(wěn)且振動、噪聲低[6]。

為了對比等高齒后橋和準(zhǔn)雙曲線齒后橋在勻速工況下對車內(nèi)噪聲的影響，制作了一臺等高齒后橋，主減速比不變，同時(shí)測試后橋Z向的振動，測試對比結(jié)果見表4。

表4 勻速工況不同后橋振動、噪聲結(jié)果

從表4的對比結(jié)果上看，采用準(zhǔn)雙曲線的后橋Z向振動幅值比等高齒的后橋振動幅值大一倍左右。從圖8兩條曲線的對比可以看到，采用等高齒后橋后，77.4 Hz的振動幅值從10.65 m/s2降低到了5.38 m/s2，降低的幅值非常明顯；車內(nèi)噪聲也是采用等高齒的后橋要更低，同時(shí)從圖9可以看到，車內(nèi)轟鳴聲所對應(yīng)的76 Hz峰值的幅值降低了近10 dB(A)，效果非常明顯。通過主觀駕駛也能明顯感覺到在120 km/h勻速行駛時(shí)車內(nèi)的低頻轟鳴聲已經(jīng)消失，乘坐舒適性明顯提高。

通過對比兩種不同齒型的后橋可以發(fā)現(xiàn)，等高齒后橋可以更好的衰減齒輪在嚙合過程中受發(fā)動機(jī)扭矩波動而產(chǎn)生的嚙合沖擊振動，從而降低了傳遞到車身壁板的振動，減小了車內(nèi)轟鳴聲。

5 結(jié)論

1、提出了整車氣密性的目標(biāo)為90 SCFM。通過提高整車密封性可以有效地降低在高速行駛工況由于車身泄漏而導(dǎo)致的車內(nèi)噪聲中的高頻成分。

2、針對動力總成縱置布置形式，需要特別關(guān)注中通位置的隔吸聲水平，降低傳動系對車內(nèi)的透過聲。

3、采用等高齒的后橋可以有效地降低齒輪的嚙合振動，消除了車內(nèi)的轟鳴聲，提高高速行駛時(shí)的乘坐舒適性。

[1]Manchi Venkateswara Rao, Analysis of Drive Line Vibration and Boom Noise in an All Wheel Drive Utility Vehicle [J], SAE 2014-01-1975.

[2]龐劍，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.

[3]Paulo Zavala, Driveline Induced Vibration Investigation [J], SAE 2006-01-2883.

[4] 賀銀芝，楊志剛等，汽車車身密封對車內(nèi)氣動噪聲影響的機(jī)理及試驗(yàn)研究[J]，汽車工程，2012（第34卷）第8期，692-695 .

[5] Ashley L.Dunn and Donald R.Houser, Methods For Researching Gear Whine in Automotive Transaxles [J], SAE 1999-01-1768.

[6] 鄧效忠，郭建松，適合中國國情的等高齒錐齒輪制造技術(shù)[J]，現(xiàn)代零部件，2011年09期，63-63.

專家推薦

劉 浩：

文章分析解決了某前置后驅(qū)車型在高速行駛時(shí)車內(nèi)3種不同噪音問題，這3種不同噪音問題在NVH領(lǐng)域具有不同的示范意義，可供參考。首先車身漏氣聲問題，多屬制造或裝配質(zhì)量問題，需要通過封堵方法解決或提高制造質(zhì)量；其次解決相關(guān)聲源透過聲過大的問題，要提高相關(guān)聲源的隔吸聲性能，如發(fā)達(dá)機(jī)聲音要提高防火墻的隔音性能等；最后振動引起的車內(nèi)噪音問題，需要從降低激勵源的激勵大小著手，必須在開發(fā)前期做好設(shè)計(jì)計(jì)劃，否則引起開發(fā)的重大變更。本文解決由后橋振動激勵引起的車內(nèi)轟鳴聲問題，是后驅(qū)車最常見的NVH現(xiàn)象，最具有代表性的NVH問題，可能前期開發(fā)沒有對此現(xiàn)象確認(rèn)，結(jié)果發(fā)生要更換齒輪才能解決的設(shè)計(jì)變更問題。

Investigation on Improving the Interior Noise of A FR Vehicle

SHI Yue-kui1, XU Li-mei2, ZHANG Zhi-hong3, WANG Fu-jun1
( 1.China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300, China; 2.Tianjin YAZAKI Auto Parts Co. Ltd., Tianjin 300457,China; 3.Tianjin University of Science & Technology Mechanical engineering institute, Tianjin 300222, China )

To solve the booming noise, high level air leak noise and too much noise from transmission system through console of the FR vehicle in the high-speed cruise conditions, according to the frequency characteristics of the vehicle interior noise factor, For the air leak noise and transmission through noise, improving body sealing and implementing sound insulation and absorption materials on the console; For the booming noise caused by the rear axle, by changing the shape of the meshing tooth to constant-depth tooth, reduce the lowfrequency booming noise caused by vibration excitation, and feel more comfortable.

FR; driveline system; rear axle; booming

U469

A

1005-2550（2016）01-0016-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.003

2015-07-30