某車型NVH性能優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進

姚博煒，陳微微，康　宏，黃鵬程

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

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某車型NVH性能優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進

姚博煒，陳微微，康宏，黃鵬程

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

摘要：針對某車型試制階段動態(tài)感知質(zhì)量評價中存在的NVH問題，對該車型進行了設計優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進。通過結(jié)構(gòu)設計改進，提高了頂蓋模態(tài)；通過鋪設補強膠，降低了白車身應變能；通過調(diào)整發(fā)動機懸置剛度，解決了發(fā)動機懸置隔振不足的問題。通過測試發(fā)現(xiàn)，上述改進顯著提升了該車型的NVH性能。

關鍵詞：NVH；性能優(yōu)化；結(jié)構(gòu)改進

汽車的舒適性是決定其是否具有市場競爭力的重要因素。以提高舒適性為目標的汽車NVH(noise vibration harshness)特性研究的主要任務就是預測并改善車內(nèi)噪聲。車身是汽車內(nèi)部噪聲與振動傳遞的重要通道，通過對車身結(jié)構(gòu)進行改進，從而改善車身的NVH性能，對整車的設計開發(fā)具有重要意義。

龐劍對汽車噪聲和振動原理、特點，以及實際應用的分析與測試方法等方面進行了研究[1]；靳曉雄等對車身板件振動聲學進行了研究[2]；梁新華針對輕量化與汽車噪聲的矛盾，對車身聲固耦合系統(tǒng)進行數(shù)值仿真，并對車身進行了有針對性的改進[3]。

筆者以某國產(chǎn)前置前驅(qū)汽車為研究對象，針對該車型試制階段動態(tài)感知質(zhì)量評價中存在的問題，分析了該車型車內(nèi)的NVH性能，并通過車身結(jié)構(gòu)上的改進，提升NVH性能，達到改善舒適性的目的。

1NVH理論分析

汽車車室構(gòu)成封閉空腔，形成一個聲學系統(tǒng)。車身結(jié)構(gòu)可以視為彈性體，車室空腔的聲壓變化會激勵車身壁板產(chǎn)生振動，而車身壁板的振動又會通過對臨近空氣的壓迫改變車室的聲壓，形成結(jié)構(gòu)與空氣相互作用的聲固耦合[4](FSI)系統(tǒng)。該模型能夠反映車身結(jié)構(gòu)和車室內(nèi)空氣的動力學特性，以及兩者在邊界上的相互作用關系，離散后的有限元系統(tǒng)聲固耦合方程可以表示為[5]：

式中：{P}為節(jié)點聲壓向量；{U}為節(jié)點的結(jié)構(gòu)位移向量；[Ms]為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；[Ks]為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；[Mf]為等價流體質(zhì)量矩陣；[Kf]為等價流體剛度矩陣；[A]為流體-結(jié)構(gòu)耦合矩陣；{Ls}為結(jié)構(gòu)輸入力向量。

如果作用在結(jié)構(gòu)上的動態(tài)載荷已知，求解上述方程組就可計算出結(jié)構(gòu)位移和車室內(nèi)部的聲壓(或聲壓級)。該模型能夠較好地評價車室內(nèi)部的結(jié)構(gòu)噪聲，對車身NVH性能優(yōu)化有重要意義。

2整車NVH性能評價

在該車型試制階段的動態(tài)感知質(zhì)量評價中，發(fā)現(xiàn)該車壓迫耳膜的低頻聲多，主要體現(xiàn)在怠速(開空調(diào)時尤為明顯)噪聲、車輛水泥路面行駛時噪聲較大，嚴重影響乘坐舒適性，主觀評價得分遠低于前期制定的NVH性能目標要求。

根據(jù)主觀評價及內(nèi)噪測試得知，該問題出現(xiàn)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為750～900 r/min時,所在頻率為25～30 Hz。

(1)結(jié)合白車身模態(tài)測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)頂蓋局部模態(tài)頻率為26 Hz，遠小于目標值33 Hz，與發(fā)動機怠速點火頻率接近，易發(fā)生共振，影響乘客舒適性。

(2)使用Hypermesh及Nastrun分析白車身應變能集中區(qū)域，通過應變能分析，該車型白車身多區(qū)域存在應變能過于集中現(xiàn)象，如圖1～圖3所示，低頻時車身易產(chǎn)生共振，放大車內(nèi)轟鳴聲，造成壓耳膜聲明顯。

圖1　頂蓋應變能集中

圖2　車門應變能集中

圖3　尾門應變能集中

(3)發(fā)動機懸置隔振率不足，造成發(fā)動機輻射加大。懸置作為發(fā)動機振動噪聲輻射到車內(nèi)的主要傳遞路徑，其隔振率越大，則越多的振動能夠被隔離。當發(fā)動機懸置隔振率不足時，發(fā)動機帶來的振動會直接傳遞至車身，從而嚴重影響車內(nèi)乘客的舒適性。

針對在主觀評價及內(nèi)噪測試過程中，發(fā)現(xiàn)頂蓋模態(tài)低、白車身應變能集中以及發(fā)動機懸置隔振不足的問題，對車身結(jié)構(gòu)進行相應的改進，達到提升NVH性能的目的。

3NVH性能優(yōu)化

3.1提高頂蓋模態(tài)頻率

在造車現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，橫梁與頂蓋間隙過大，粘膠存在粘接效果不佳的情況。因此對頂蓋擬定了兩種方案用以提高頂蓋模態(tài)：①更換彈性模量較高的結(jié)構(gòu)膠；②打斷頂蓋筋條并提高橫梁高度。原狀態(tài)及新方案頂蓋模態(tài)實測值如表1所示。更換彈性模量較高的結(jié)構(gòu)膠后，頂蓋模態(tài)達到33 Hz，但由于結(jié)構(gòu)膠對頂蓋薄板粘結(jié)存在變形風險，暫不采用；而對頂蓋筋條后部進行打斷處理，并增加橫梁高度，在滿足冬天抗雪壓要求的情況下頂蓋模態(tài)分析值也達到了33 Hz。

表1　不同方案頂蓋模態(tài)實測值對比

綜上所述，通過提高頂蓋橫梁高度，并對筋條進行打斷，能夠提高頂蓋模態(tài)頻率以達到目標值。

3.2降低白車身應變能

為減少車身的薄壁振動，一般會在汽車薄板的重點部位和薄弱部位采用補強膠片，以提高局部強度，減少車身應變能過于集中的現(xiàn)象。汽車補強膠主要用于車門內(nèi)板、門拉手、車頂和側(cè)圍等外板補強，以提高鋼板的彎曲強度、剛度和抗沖擊性，提升車輛乘坐的NVH性能。

針對該車型白車身應變能過于集中的問題，對頂蓋、側(cè)門和尾門進行補強膠鋪設處理，如圖4～圖6所示，以達到降低白車身應變能的目的。

圖4　頂蓋補強膠鋪設方案

圖5　頂蓋補強膠鋪設方案

圖6　尾門補強膠鋪設方案

3.3調(diào)整發(fā)動機懸置剛度

對不同試制階段車輛怠速工況下內(nèi)噪聲及振動進行測試，測試結(jié)果如表2所示，可看出試制階段二的NVH水平不如試制階段一。試制階段一發(fā)動機懸置各向隔振率大于90%,表示 90%以上的振動都可被隔離，滿足設計要求，而試制階段二隔振率則不足90%。

表2　怠速工況下內(nèi)噪及振動測試結(jié)果

經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)兩個階段的發(fā)動機懸置并非由同一家供應商提供。對兩個階段的發(fā)動機懸置進行剛度對比測試，對比結(jié)果如表3～表5所示。

表3　發(fā)動機左懸置靜態(tài)剛度對比　N/mm

表4　發(fā)動機右懸置靜態(tài)剛度對比　N/mm

從數(shù)據(jù)上看，試制階段二的發(fā)動機懸置靜態(tài)剛度明顯高于圖紙設計值。此外，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機懸置還存在低頻小振幅情況下動態(tài)剛度過高的問題。圖7所示為測試得到試制階段二的發(fā)動

表5　發(fā)動機后懸置靜態(tài)剛度對比　N/mm

機懸置動態(tài)剛度與實際頻率的關系，圖8所示為發(fā)動機懸置動態(tài)剛度與NVH要求頻率的關系。從圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，測試得到的發(fā)動機懸置動態(tài)剛度明顯高于要求值。供應商應調(diào)整橡膠硬度[6]，并按10%梯度降低剛度準備調(diào)試件。改進后對怠速工況下車輛進行內(nèi)噪及振動測試，結(jié)果如表6所示，改進后，車內(nèi)噪聲和駕駛員座椅導軌Z方向的振動得到明顯改善。

圖7　發(fā)動機懸置動態(tài)剛度與實際頻率的關系

圖8　發(fā)動機懸置動態(tài)剛度與NVH要求頻率的關系

NVH測量位置/方向試制階段二改進后噪聲/dB駕駛員耳旁46.7041.40振動/m/s2駕駛員座椅導軌X0.040.04駕駛員座椅導軌Y0.030.03駕駛員座椅導軌Z0.070.01

對提高頂蓋模態(tài)、降低白車身應變能和調(diào)整發(fā)動機懸置剛度之后的車身NVH性能進行綜合評價發(fā)現(xiàn)，主觀感覺低頻壓迫耳膜聲得到改善，提高了車輛的乘坐舒適性，主觀評分高于7分，達到NVH性能目標要求，改進后發(fā)動機隔振率大于90%。

4結(jié)論

(1)提高頂蓋橫梁高度，能夠提高頂蓋模態(tài)頻率，使頂蓋模態(tài)達到目標值，同時使頂蓋模態(tài)遠離發(fā)動機怠速點火頻率，提高乘客舒適性。

(2)通過對應變能集中的區(qū)域鋪設補強膠，能夠緩解應變能集中的現(xiàn)象，增強各區(qū)域的強度。

(3)在滿足耐久的前提下，調(diào)整發(fā)動機懸置的橡膠硬度，降低發(fā)動機懸置剛度，能夠增大發(fā)動機懸置的隔振率，優(yōu)化發(fā)動機振動噪聲輻射到車身的傳遞路徑，從而改進NVH性能。

參考文獻：

[1]龐劍.汽車噪聲與振動理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2006:85-87.

[2]靳曉雄,白勝勇,丁玉蘭,等.車身板件振動聲學貢獻的計算機模擬[J].汽車工程,2000(4):236-239.

[3]梁新華.汽車車身薄壁件阻尼復合結(jié)構(gòu)振動:聲學分析與優(yōu)化[D].上海：上海交通大學,2007.

[4]馬天飛,林逸,張建偉.轎車車室聲固耦合系統(tǒng)的模態(tài)分析[J].機械工程學報,2005(7):225-230.

[5]林逸,馬天飛,姚為民,等.汽車NVH特性研究綜述[J].汽車工程,2002(3):177-181.

[6]范讓林,劉立,呂振華,等.發(fā)動機隔振橡膠元件的有限元分析[J].內(nèi)燃機學報,2009(2):186-191.

YAO Bowei:Engineer; SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd, Liuzhou 545007,China.

文章編號：2095-3852(2016)02-0253-04

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-10-30.

作者簡介：姚博煒(1985-)，男，廣西玉林人，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師.

中圖分類號：TH123.1

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.02.025

NVH Performance Optimization and Structural Modification of a Vehicle

YAOBowei,CHENWeiwei,KANGHong,HUANGPengcheng

Abstract：In view of the NVH problems existing in the quality evaluation of phase trial stage dynamic perception, the car performance has optimizated and structural modification. In consideration of Low modal on the roof, the corresponding improvements are done in order to improve the top cover model. By laying reinforced rubber, the strain energy of the body-in-white is reduced. The engine mount stiffness is adjusted, in order to solve the problem of shortage of engine mount vibration isolation. Through test, it has been found that through the improvements on the body structure, the body NVH performance is promoted.

Key words：NVH; performance optimization; structural modification