SUV后背門振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲影響的研究

宋福強(qiáng) 羅培智

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011）

SUV后背門振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲影響的研究

宋福強(qiáng) 羅培智

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011）

為解決某SUV車型勻速行駛工況下車內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示，在20 Hz附近出現(xiàn)異常峰值。通過(guò)對(duì)車身可疑結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐一排查，利用階次跟蹤和ODS方法分析表明，引起車內(nèi)低頻噪聲的主要原因?yàn)楹蟊抽T低頻共振。通過(guò)提高緩沖限位器支撐剛度降低了20 Hz頻率成分峰值，提升了車內(nèi)聲音品質(zhì)。

1 前言

車內(nèi)噪聲水平是體現(xiàn)汽車乘坐舒適性的重要指標(biāo)之一，各大汽車廠商均將車內(nèi)噪聲的控制作為重要的研究方向。車內(nèi)噪聲按照傳播形式可分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。結(jié)構(gòu)噪聲主要由輪胎或車輪不平衡的動(dòng)態(tài)力、路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件不平衡以及其他部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)作用力直接或間接傳遞到車身，引起車身振動(dòng)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)輻射到車內(nèi)引起?？諝庠肼曋饕奢喬?路面噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲通過(guò)車身透射到車內(nèi)引起[1]。

本文以某SUV開發(fā)中的具體問(wèn)題為基礎(chǔ)，分析了SUV車型后背門結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)車內(nèi)低頻噪聲的影響，提出了分析和解決該類NVH問(wèn)題的思路和方法。

2 車內(nèi)異常噪聲分析

在某SUV車型產(chǎn)品開發(fā)階段，試驗(yàn)車輛主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)勻速行駛工況車內(nèi)存在低頻轟鳴噪聲，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果小于6分，處于無(wú)法接受水平，嚴(yán)重影響車內(nèi)聲音品質(zhì)。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行道路試驗(yàn)客觀測(cè)量，數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，在5擋勻速行駛工況下，車速范圍50～120 km/h，車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜中心頻率20～25 Hz附近均出現(xiàn)異常噪聲峰值（見圖1）。利用FFT和階次跟蹤分析方法[2～3]對(duì)其5擋加速行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到車內(nèi)噪聲跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的color map頻譜如圖2所示，20 Hz附近有明顯的共振特征，共振頻率范圍18～25 Hz，由于頻率較低，應(yīng)屬于結(jié)構(gòu)共振噪聲問(wèn)題。

圖2 5擋加速行駛車內(nèi)噪聲color map頻譜

3 車身關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)試驗(yàn)與分析

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量方法

通過(guò)車身結(jié)構(gòu)分析，找出可能引起結(jié)構(gòu)噪聲的部位進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。分別在車身頂蓋、行李箱地板、備胎池、后背門等關(guān)鍵位置布置三向加速度振動(dòng)傳感器，試驗(yàn)工況采用5擋勻速和5擋加速行駛工況，采集車輛行駛過(guò)程中各測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)情況。

3.2 振動(dòng)結(jié)果分析

應(yīng)用FFt和階次跟蹤分析方法，處理分析各振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)域數(shù)據(jù)，對(duì)比分析數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)后背門振動(dòng)頻譜在頻率20 Hz附近存在明顯的共振帶，如圖3所示，共振范圍也是18～25 Hz，與車內(nèi)噪聲的共振特征相吻合。由于共振頻率較低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，應(yīng)為后背門剛體振動(dòng)，為進(jìn)一步確認(rèn)后背門在車輛行駛狀態(tài)下的剛體頻率及其工作振型，對(duì)后背門結(jié)構(gòu)進(jìn)行整車道路工作變形（Operational Deflection Shape，ODS）試驗(yàn)。

圖3 5擋加速行駛車身關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)color map頻譜

4 后背門ODS試驗(yàn)分析

4.1 振動(dòng)ODS方法的基本原理

ODS是被測(cè)試件在某特定頻率、特定轉(zhuǎn)速或特定時(shí)間的實(shí)際工作變形，描述被測(cè)試件在實(shí)際工作激勵(lì)下的受迫振動(dòng)變形。

假設(shè)某一具有彈簧-阻尼-質(zhì)量的振動(dòng)系統(tǒng)（或結(jié)構(gòu)）受到來(lái)自外力的作用，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足：

設(shè)系統(tǒng)的初始位移為零，將式（1）作拉氏變換得：

式中，M、C、K、F（s）分別為s域的質(zhì)量、阻尼、剛度和力。

則頻率響應(yīng)函數(shù)FRF矩陣為：

或

式（4）即為傳遞函數(shù)的留數(shù)展式，描述結(jié)構(gòu)的固有特性。式中，分母為結(jié)構(gòu)第r階模態(tài)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，分子為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)第r階模態(tài)的留數(shù)矩陣，它表示結(jié)構(gòu)第r階模態(tài)的變化規(guī)律[4～5]。

式（5）反映的是結(jié)構(gòu)在f（t）作用下的振動(dòng)頻率響應(yīng)，而通常工程結(jié)構(gòu)上的動(dòng)態(tài)載荷往往未知或很難測(cè)量，為此，在算法上采用結(jié)構(gòu)上某一響應(yīng)點(diǎn)（稱為參考點(diǎn)）的信號(hào)來(lái)代替式（5）中的F（ω），即將結(jié)構(gòu)上其它點(diǎn)的響應(yīng)與參考點(diǎn)的響應(yīng)作比值來(lái)代替名義上的傳遞函數(shù)值，得到的值稱為ODS值或復(fù)傳遞函數(shù)，算法稱為復(fù)傳遞率算法，即

式中，Tij（ω）為ODS值，也稱ODS FRF值；xi為結(jié)構(gòu)上某個(gè)測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)，也稱ODS絕對(duì)值；xj為結(jié)構(gòu)上某一固定測(cè)量點(diǎn)（或稱參考點(diǎn)）的響應(yīng)，也稱ODS參考值。

式（6）為ODS值的測(cè)量方法，由于振動(dòng)ODS分析與模態(tài)分析的算法基本相同，因此可用復(fù)傳遞函數(shù)矩陣代替式（5）中的傳遞函數(shù)矩陣來(lái)計(jì)算分析ODS的測(cè)量數(shù)據(jù)。計(jì)算時(shí)，每一測(cè)量點(diǎn)的復(fù)傳遞率都要以結(jié)構(gòu)上同一振動(dòng)響應(yīng)為參考，因此，結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的相對(duì)位置即可確定，由此可獲得結(jié)構(gòu)在工作條件下的振型[6]。

在利用ODS方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析時(shí)，為了獲得每一點(diǎn)的復(fù)傳遞率，需同時(shí)采集該測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，因此，參考點(diǎn)的選擇至關(guān)重要。通常將參考點(diǎn)選擇在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)敏感區(qū)內(nèi)，同時(shí)，為了保證測(cè)量精度，要求各測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間在分析頻率處具有良好的相干性，其他測(cè)點(diǎn)可根據(jù)需要選擇在結(jié)構(gòu)感興趣的部位上[7]。

4.2 ODS方法應(yīng)用與結(jié)果分析

根據(jù)ODS試驗(yàn)方法，在后背門關(guān)鍵點(diǎn)位置布置三向加速度振動(dòng)傳感器如圖4所示，其中包括后背門固定鉸鏈位置（hbm:1和hbm:4）、中部緩沖塊位置（hbm:2和hbm:5）和楔形緩沖限位器位置（hbm:3和hbm:6）。采用5擋勻速行駛工況，應(yīng)用LMS Test.Lab軟件中的ODS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析[8]，通過(guò)對(duì)后背門ODS振型的分析，發(fā)現(xiàn)頻率為18.806 5 Hz和24.612 6 Hz時(shí)，分別有后背門前后平動(dòng)和繞后背門鎖鉤的轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)振型，如圖5所示。由于頻率較低，當(dāng)路面低頻成分通過(guò)懸架激勵(lì)車身時(shí)，后背門極易激勵(lì)起結(jié)構(gòu)共振，產(chǎn)生車內(nèi)低頻轟鳴現(xiàn)象。

圖4 后背門ODS測(cè)點(diǎn)

圖5 后背門ODS試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施與結(jié)果驗(yàn)證

5.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

根據(jù)以上ODS試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，并結(jié)合車身和后背門結(jié)構(gòu)，可知產(chǎn)生車內(nèi)20 Hz共振噪聲的原因是后背門下部楔形緩沖限位器結(jié)構(gòu)支撐剛度不足，如圖6所示，在后背門關(guān)閉狀態(tài)下，無(wú)法對(duì)后背門起到很好的約束作用，導(dǎo)致外部低頻激勵(lì)下后背門與車身發(fā)生相對(duì)變形，并與其ODS工作頻率耦合，從而引起后背門共振。

將車身側(cè)楔形緩沖限位器固定底座加厚，使后背門關(guān)閉狀態(tài)下緩沖限位結(jié)構(gòu)更緊密地壓合，從而間接提高了緩沖限位器結(jié)構(gòu)支撐剛度，后背門的ODS工作頻率也隨之提高，可有效避免后背門發(fā)生低頻結(jié)構(gòu)共振，從而解決了車內(nèi)低頻20 Hz共振噪聲問(wèn)題。

圖6 后背門楔形緩沖限位器結(jié)構(gòu)

5.2 改進(jìn)方案試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比分析后背門緩沖限位器結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，在5擋加速行駛工況下，車內(nèi)前排、后排噪聲color map頻譜20 Hz附近共振噪聲帶消失，如圖7所示，5擋勻速行駛工況下，車速范圍50～120 km/h，車內(nèi)前排、后排噪聲1/3倍頻程頻譜中心頻率20～25 Hz頻率成分明顯降低，如圖8所示。結(jié)合主觀評(píng)價(jià)，在車輛行駛中，車內(nèi)低頻轟鳴噪聲得到明顯改善，已到達(dá)可接受水平。

圖7 改進(jìn)后5擋加速行駛車內(nèi)噪聲color map頻譜

圖8 改進(jìn)前、后5擋勻速行駛車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)車內(nèi)低頻轟鳴噪聲問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，利用ODS試驗(yàn)分析方法明確了問(wèn)題根源，通過(guò)改變后背門限位緩沖器支撐剛度，改變了后背門工作變形頻率，有效降低車內(nèi)低頻成分幅值，從而改善了車內(nèi)聲音品質(zhì)，為SUV產(chǎn)品后背門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

1 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

2 張守元，李鶴，張義民.階次跟蹤技術(shù)及其在汽車NVH中的應(yīng)用.輕型汽車技術(shù)，2009（4）：14～17.

3 俞明，柳文斌，吳慶宏.汽車振動(dòng)噪聲測(cè)試的階次跟蹤方法.機(jī)床與液壓，2003（6）：277～278.

4 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：理論、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用.天津：天津大學(xué)出版社，2001.

5 張義民，李鶴.機(jī)械振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2010.

6 鄭偉娟，李元寶.應(yīng)用振動(dòng)ODS方法分析汽車動(dòng)力總成振動(dòng).汽車技術(shù)，2007（9）：31～33.

7 陳海松，董久莉.ODS方法在車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析中的應(yīng)用.汽車技術(shù)，1996（10）：6～8.

8 劉馥清.LMS測(cè)試與分析系統(tǒng)理論基礎(chǔ).北京：比利時(shí)LMS公司，2000.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年12月1日。

Research on the Influence of Liftgate Vibration of SUV on Interior Noise

Song Fuqiang,Luo Peizhi
（State Key Laboratory of Automotive Vibration,Noise and Safety Control Technology,China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

In the development of a SUV,there was low-frequency booming noise at constant speed.To remove this defect,test analysis was made.The results show that there is an abnormal interior noise peak around 20 Hz.Through checking the suspicious body structures one by one,utilizing order tracking and ODS analysis method,it is confirmed that the low-frequency noise is caused by liftgate low-frequency resonance.By increasing the buffer support stiffness,20 Hz frequency component peak value is reduced,and interior sound quality is improved.

Liftgate,Interior noise,Order tracking analysis,ODS method

后背門 車內(nèi)噪聲 階次分析 ODS方法

U463.8；TB535+.1

A

1000-3703（2017）06-0035-05