某乘用車車內(nèi)噪聲與方向盤振動(dòng)分析與改進(jìn)

楊家友，張攀

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶401122；2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072）

某乘用車車內(nèi)噪聲與方向盤振動(dòng)分析與改進(jìn)

楊家友1，張攀2

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶401122；2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072）

對(duì)某MPV樣車（多功能乘用車）進(jìn)行整車NVH測(cè)試，結(jié)果表明怠速工況下空調(diào)開(kāi)啟時(shí)的車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動(dòng)不滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)傳遞路徑分析方法進(jìn)行試驗(yàn)排查，發(fā)現(xiàn)該工況下，車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）在發(fā)動(dòng)機(jī)第4階頻率處振動(dòng)異常是問(wèn)題的主要原因。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)證，確定需對(duì)樣車前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。接下來(lái)通過(guò)有限元分析方法對(duì)前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，并在樣車上進(jìn)行優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)優(yōu)化方案可行，車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動(dòng)得到有效控制。

振動(dòng)與波；結(jié)構(gòu)噪聲；傳遞函數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；方向盤；前圍板

近些年來(lái)，隨著消費(fèi)者對(duì)乘坐舒適性要求的提高以及各國(guó)對(duì)環(huán)境噪聲污染的重視，汽車的振動(dòng)噪聲問(wèn)題在汽車工業(yè)中變得越來(lái)越重要。車輛NVH（噪聲、振動(dòng)、舒適性）性能已逐漸成為影響汽車品牌的重要因素之一，國(guó)內(nèi)外已有較多的工程師和學(xué)者致力于改善車輛NVH性能。例如，已有較多專著從車輛設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及材料等方面進(jìn)行NVH分析[1–3]；T.Bein等意識(shí)到解決車身輕量化帶來(lái)的車輛振動(dòng)、噪聲加劇的問(wèn)題[4]；S.J.Elliott等進(jìn)行了車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制的研究[5]；較多學(xué)者通過(guò)仿真或試驗(yàn)的方法進(jìn)行乘用車振動(dòng)噪聲的研究[6–13]。

方向盤與駕駛員直接接觸，振動(dòng)過(guò)大易引起駕駛員疲勞不適，過(guò)大的車內(nèi)噪聲無(wú)疑也會(huì)降低乘客的乘坐舒適性。因此在樣車NVH評(píng)估過(guò)程中，這方面的測(cè)試是必不可少的，也存在較多這方面的工程案例[14–20]。其中，基于傳遞路徑分析方法來(lái)確定車內(nèi)噪聲源（或振源）已成為各大汽車廠家和汽車研發(fā)中心的一個(gè)重要研究方向。此方法通過(guò)分析子結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，描述系統(tǒng)頻域的振動(dòng)噪聲特性，把試驗(yàn)和仿真有效結(jié)合到一起，為汽車噪聲預(yù)測(cè)、振動(dòng)噪聲快速診斷等工作提供了一種快捷、有效的工具[21]。文中主要介紹針對(duì)某款MPV樣車方向盤振動(dòng)超標(biāo)和車內(nèi)前排噪聲過(guò)大問(wèn)題，采用傳遞路徑分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進(jìn)行排查治理的過(guò)程及最終取得的治理效果。

1 問(wèn)題描述

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期中，振動(dòng)、噪聲問(wèn)題往往暴露得非常晚。這類問(wèn)題大多歸因于設(shè)計(jì)階段目標(biāo)設(shè)定不明確、實(shí)際問(wèn)題考慮得不全面等。此類問(wèn)題的解決也較為棘手，并伴有計(jì)劃外的時(shí)間消耗和費(fèi)用支出。對(duì)于整車的NVH測(cè)試，有一系列的測(cè)試內(nèi)容需要進(jìn)行，由于本文重點(diǎn)在于解決由前圍板處引起的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，因此只進(jìn)行車內(nèi)噪聲和方向盤振動(dòng)測(cè)試的相關(guān)說(shuō)明。

1.1 測(cè)試傳感器布置及測(cè)試要求

文中涉及的測(cè)試對(duì)象是一款樣車，為OTS（Off Tool Sample）樣件，行駛里程為2 000 km。測(cè)試場(chǎng)所為整車半消聲室。由于車內(nèi)聲場(chǎng)的聲壓級(jí)大小與測(cè)試位置密切相關(guān)，因此常選擇駕駛員和乘客耳旁位置作為測(cè)點(diǎn)，且駕駛員座位處為必選測(cè)點(diǎn)。車內(nèi)噪聲測(cè)試位置如圖1、圖2所示[22]。

圖1 傳聲器位置示意圖（A：未占用座位，B：駕駛員座位）

圖2傳聲器在車內(nèi)的實(shí)際布置位置

圖1中，傳聲器的垂直方向位于（無(wú)人）座椅的表面與靠背表面的交線向上0.70±0.05 m處；水平方向一般位于座椅的對(duì)稱面上（見(jiàn)測(cè)點(diǎn)A），但在駕駛員座位，則位于對(duì)稱面向右0.20±0.02 m處（見(jiàn)測(cè)點(diǎn)B）。據(jù)此，實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，前排為駕駛員右耳處，中排為左側(cè)乘客右耳處，后排為中間位置。

另外，傳聲器安裝時(shí)應(yīng)保證：距離車廂壁或座椅墊的距離大于0.15 m；最大靈敏度的方向指向行駛方向（文中為水平向前）；隔離汽車振動(dòng)的影響。

方向盤振動(dòng)測(cè)試傳感器為三軸向振動(dòng)加速度計(jì)，布置于方向盤外緣十二點(diǎn)位置，如圖3所示。

圖3 方向盤振動(dòng)傳感器位置

測(cè)試時(shí)對(duì)車輛要求：被測(cè)車輛所有開(kāi)口（車窗、天窗等）為關(guān)閉狀態(tài)；車內(nèi)輔助裝置除測(cè)試需求外不得工作；座椅應(yīng)位于水平和垂直方向可調(diào)量的中間位置，靠背應(yīng)處于垂直位置，頭枕應(yīng)處于可調(diào)量的中間位置。如果研究通風(fēng)系統(tǒng)或任意輔助裝置的噪聲對(duì)總噪聲的影響，則必須在輔助裝置工作時(shí)重復(fù)測(cè)試噪聲。

測(cè)試時(shí)對(duì)儀器要求：振動(dòng)加速度計(jì)應(yīng)在校準(zhǔn)有效期內(nèi)；傳聲器在測(cè)試前后均應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；力錘選用尼龍錘頭；設(shè)定合理的采樣頻率與分析帶寬，以保證分析頻帶內(nèi)有足夠的譜線數(shù)。

1.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如表1、圖4和圖5所示。

表1 車內(nèi)噪聲與方向盤振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖4 駕駛員右耳噪聲時(shí)域圖（虛線：空調(diào)開(kāi)啟；實(shí)線：空調(diào)未開(kāi)啟）

由測(cè)試結(jié)果可知，空調(diào)開(kāi)啟后車內(nèi)噪聲、方向盤振動(dòng)均有明顯上升，均超過(guò)目標(biāo)值。

2 原因分析

2.1 頻譜分析

對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析是較常用的激勵(lì)源分析方法。通過(guò)頻譜圖可以清晰地看出振動(dòng)能量的集中頻帶，從而便于尋找激勵(lì)源。圖6－圖9為對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖。

圖5 方向盤振動(dòng)時(shí)域圖（粗線：空調(diào)開(kāi)啟；細(xì)線：空調(diào)未開(kāi)啟）

圖6 空調(diào)開(kāi)啟前后方向盤振動(dòng)頻域圖

圖7 空調(diào)開(kāi)啟前后駕駛員右耳處（DR）噪聲頻域圖

由結(jié)果可以看出，一方面空調(diào)開(kāi)啟后，方向盤振動(dòng)級(jí)和車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)均明顯增強(qiáng)，并顯著超過(guò)目標(biāo)值；另一方面，由于空調(diào)開(kāi)啟導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，噪聲和振動(dòng)頻譜中前四個(gè)共振峰均有一定的右移。

其中方向盤振動(dòng)級(jí)超過(guò)目標(biāo)值主要體現(xiàn)在56 Hz附近x方向振動(dòng)由不足0.01 g上升至0.05 g；駕駛員右耳處噪聲超標(biāo)體現(xiàn)在56 Hz譜線處，其上升至43 dB(A)。

圖8 空調(diào)開(kāi)啟前后中排左側(cè)乘客右耳（MLR）噪聲頻域圖

圖9 空調(diào)開(kāi)啟前后后排中間位置處（RM）噪聲頻域圖

2.2 傳遞路徑分析

方向盤的振動(dòng)激勵(lì)源主要來(lái)自路面和發(fā)動(dòng)機(jī)；車內(nèi)噪聲則包含發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、路面噪聲、氣動(dòng)噪聲、剎車噪聲和其他零部件噪聲等。由于測(cè)試工況為怠速、空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)，而且峰值頻率56 Hz恰好對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的4階頻率，因而初步分析此振動(dòng)噪聲超標(biāo)問(wèn)題由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4階頻率激起。

NVH工程問(wèn)題的解決常從激勵(lì)源、傳遞路徑以及響應(yīng)點(diǎn)三方面來(lái)進(jìn)行。對(duì)于傳遞路徑分析，應(yīng)確定是較大作用力引起響應(yīng)加大還是較小作用力引起結(jié)構(gòu)共振。所以，這就需要將激勵(lì)源由原有的某種固定工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)閽哳l工況（例如發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況），或者在輸入端人工施加寬頻激勵(lì)（激振器）或脈沖激勵(lì)（力錘）。

作為激勵(lì)源的發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有引起其他位置的振動(dòng)異常。如圖10所示，座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)在空調(diào)開(kāi)啟前后并無(wú)較大變化，且0.01 g以下的振動(dòng)量級(jí)滿足GB13441.1-2007（該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0.315 m/s2以下為感覺(jué)不到不舒適區(qū)域）。因此將重點(diǎn)放在傳遞路徑優(yōu)化上。又由于車內(nèi)噪聲與方向盤振動(dòng)異常為同一頻率，且都與空調(diào)開(kāi)啟相關(guān)，因此對(duì)前圍板進(jìn)行進(jìn)一步分析。

為分析前圍板安裝工況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)考慮到樣車內(nèi)的操作空間限制，進(jìn)行如下測(cè)試：

（1）怠速、空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下，進(jìn)行車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）振動(dòng)測(cè)試，如圖11、圖12所示；

（2）進(jìn)行前圍板（膨脹閥安裝位置）至駕駛員右耳的NTF（Noise transfer function）測(cè)試，如圖13所示；

圖10 空調(diào)開(kāi)啟前后座椅導(dǎo)軌振動(dòng)時(shí)域圖

(3)進(jìn)行前圍板（膨脹閥安裝位置）原點(diǎn)導(dǎo)納測(cè)試，如圖14所示。

圖11 前圍板（膨脹閥安裝位置）測(cè)試

圖12 前圍板（膨脹閥安裝位置）振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖13 傳遞函數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖12結(jié)果可知，怠速、空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)，車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）在56 Hz處振動(dòng)最大，振動(dòng)幅值為0.02 g；由圖13、圖14所示傳遞函數(shù)測(cè)試結(jié)果可知，樣車前圍板在56 Hz附近存在局部模態(tài)，且車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）對(duì)車內(nèi)駕駛員右耳位置的NTF值較高。

圖14 原點(diǎn)導(dǎo)納測(cè)試結(jié)果

改善車內(nèi)噪聲可以采用安裝吸聲材料的方式，但考慮到裝飾效果和安裝空間，一般只能在一定頻段內(nèi)產(chǎn)生較小的效果。因此大部分情況下還是通過(guò)改善振動(dòng)噪聲的傳遞路徑來(lái)達(dá)到車內(nèi)減振降噪的目的。對(duì)于本例中由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、噪聲問(wèn)題，可選用如下方法：

(1)改善發(fā)動(dòng)機(jī)隔振性能；

(2)增大前圍板局部共振處阻尼；

(3)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，避開(kāi)共振頻率。

這里選擇對(duì)前圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，避開(kāi)局部共振。

3 前圍板局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 仿真優(yōu)化方案

結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題是指在滿足給定的幾何約束、材料約束和狀態(tài)約束（或響應(yīng)約束）的所有可能結(jié)構(gòu)中，尋求使得給定目標(biāo)最優(yōu)的設(shè)計(jì)[23]。優(yōu)化問(wèn)題分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三類。文中試圖通過(guò)結(jié)構(gòu)形狀或尺寸調(diào)整來(lái)對(duì)前圍板振動(dòng)的特征頻率進(jìn)行優(yōu)化，使其避免共振并降低響應(yīng)水平。

由結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修改的靈敏度分析理論可知[24]，與質(zhì)量和阻尼參數(shù)相比，剛度變化更容易影響低頻段的模態(tài)頻率和振型。同時(shí)由于實(shí)車零部件結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，前圍板局部起筋或厚度調(diào)整成為改善模態(tài)頻率的主要方法。

采用Hypermesh軟件對(duì)前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。首先計(jì)算原始狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)1階整體模態(tài)，見(jiàn)圖15，1階模態(tài)頻率為54.5 Hz。優(yōu)化方向是通過(guò)加強(qiáng)HAVC安裝點(diǎn)的剛度來(lái)提高前圍板1階模態(tài)頻率，從而避開(kāi)怠速工況下的共振頻率（但應(yīng)注意避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)工作轉(zhuǎn)速區(qū)間頻率）。

圖15 暖氣、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)1階整體模態(tài)

優(yōu)化過(guò)程如下：

(1)在HVAC本體的安裝點(diǎn)起加強(qiáng)筋，無(wú)明顯變化；

(2)將HVAC安裝支架厚度全部提升到3.0 mm，1階模態(tài)頻率提升到58.3 Hz；

(3)在方案(2)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)安裝點(diǎn)，1階模態(tài)頻率提升到59.5 Hz；

(4)在方案(3)基礎(chǔ)上，在前圍板和中通道之間加一個(gè)加強(qiáng)板，1階模態(tài)頻率提升到63.2 Hz；

(5)在方案(4)基礎(chǔ)上，微調(diào)兩處支架結(jié)構(gòu)，加寬三處支架尺寸，并將支架厚度均減至2 mm，如圖17所示。

圖16 HVAC在前圍板上的安裝點(diǎn)

圖17 前圍板最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

最終采用方案(5)，將仿真1階模態(tài)頻率由54.5 Hz提高至62.2 Hz（＞60 Hz），能夠避開(kāi)怠速、空調(diào)開(kāi)啟工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的4階激勵(lì)頻率(56 Hz)。

3.2 優(yōu)化方案實(shí)車驗(yàn)證

根據(jù)仿真方案，制作了一套用HVAC安裝支架加強(qiáng)后的手工樣件，將該手工樣件安裝到樣車前圍板上，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，見(jiàn)如圖18。

圖18 HVAC安裝支架樣件及安裝

圖19前圍板膨脹閥處原點(diǎn)導(dǎo)納傳遞函數(shù)改進(jìn)前后對(duì)比

圖19為改進(jìn)前后膨脹閥處原點(diǎn)導(dǎo)納傳遞函數(shù)對(duì)比，可見(jiàn)用HVAC安裝支架加強(qiáng)后，前圍板局部模態(tài)頻率由原來(lái)的56.0 Hz升高至60.3 Hz，理論上可以避開(kāi)怠速、空調(diào)開(kāi)啟工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的4階激勵(lì)頻率(56 Hz)。

圖20－圖23為方向盤振動(dòng)和駕駛員右耳噪聲的時(shí)域、頻域測(cè)試結(jié)果。

圖20 改進(jìn)后方向盤振動(dòng)測(cè)試結(jié)果時(shí)域圖

圖21 改進(jìn)前后方向盤振動(dòng)測(cè)試結(jié)果頻域?qū)Ρ葓D

由圖20、圖21可知，前圍板改進(jìn)后方向盤在三個(gè)方向的振動(dòng)值均小于目標(biāo)值0.04 g，其中振動(dòng)最大的X方向改進(jìn)后在56 Hz處振動(dòng)幅值下降至約0.02 g。

由圖22、圖23可知，前圍板改進(jìn)后駕駛員右耳處噪聲在貢獻(xiàn)量最顯著的56 Hz譜線處由43.0 dB (A)下降至38.7 dB(A)；總聲壓級(jí)由48.7 dB(A)降至46.9 dB(A)。雖然改進(jìn)后仍未滿足46 dB(A)的目標(biāo)值，但車內(nèi)該位置主觀感覺(jué)壓耳聲有明顯改善。另外，由于本試驗(yàn)僅驗(yàn)證了HVAC安裝支架的加強(qiáng)方案，后續(xù)還需進(jìn)行HVAC本體安裝點(diǎn)的加強(qiáng)處理，因此，預(yù)計(jì)進(jìn)行HVAC本體安裝點(diǎn)加強(qiáng)后，噪聲結(jié)果會(huì)滿足目標(biāo)值。

圖22 改進(jìn)后駕駛員右耳噪聲測(cè)試結(jié)果時(shí)域圖

圖23 改進(jìn)前后駕駛員右耳噪聲測(cè)試結(jié)果頻域?qū)Ρ葓D

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某樣車在怠速工況下、空調(diào)開(kāi)啟時(shí)的車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動(dòng)高于目標(biāo)值的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)方法，確定其與車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）振動(dòng)異常有關(guān)。在進(jìn)一步確定樣車前圍板處易由發(fā)動(dòng)機(jī)怠速4階頻率引起共振后，通過(guò)Hypermesh軟件對(duì)前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，并在樣車上進(jìn)行了優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)對(duì)前圍板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，方向盤振動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求值，車內(nèi)前排噪聲也有將近2 dB下降，降至46.9 dB(A)，可結(jié)合其他方法進(jìn)一步使其滿足目標(biāo)值46 dB(A)。

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Analysis and Improvement of the Excessive Interior Noise and Steering Wheel Vibration of a Passenger Vehicle

YANG Jia-you1,ZHANGPan2
(1.ChinaAutomotive Engineering Research Institute Co.Ltd.,Chongqing 401122,China; 2.School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In the process of the NVH testing of a MPV(multi-purpose vehicle),it is found that the interior vehicle noise and the steering wheel vibration cannot meet the design requirements under the idling operation condition with the air conditioner switched on.Through the troubleshooting with transfer path analysis,the dash board abnormal vibration is detected in the 4th order frequency of engine rotational speed at the expansion valve position.It is determined further that the dash board needs a structural modification.Afterwards,the finite element method is adopted to optimize the dash board structure and the modified dash board is mounted in the vehicle for testing.Results of the test show that the optimization scheme is feasible and the interior vehicle noise and the steering wheel vibration are controlled effectively.

vibration and wave;structural noise;transfer function;structure optimization;steering wheel;dash board

O327；U467.4+93

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.042

1006-1355(2017)02-0207-06

2016-09-19

楊家友(1987-)，男，重慶市人，碩士生，主要研究方向?yàn)槠嘚VH。E-mail:yangjiayou1986@163.com

張攀（1987－），男，河北省滄州市人，在讀博士生，主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。E-mail:perfect04@126.com