輕卡駕駛室振動及聲學(xué)環(huán)境分析

吳子涵 何鎮(zhèn)罡 叢銘 鐘海軍 熊威

南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省南京市 210037

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車的關(guān)注點(diǎn)從質(zhì)量問題逐漸轉(zhuǎn)移到舒適性問題上，并且對汽車乘坐舒適性提出了更高的要求。由于在貨物運(yùn)輸中的重要作用，輕卡被人們普遍使用。本文以某輕卡駕駛室為研究對象，分別建立結(jié)構(gòu)、聲腔和聲固耦合有限元模型，研究聲場分布，通過聲學(xué)板塊貢獻(xiàn)量分析，提供改善輕卡駕駛室聲學(xué)環(huán)境方案，最終達(dá)到提供輕卡駕駛員舒適駕駛環(huán)境的目的。

圖1 駕駛室結(jié)構(gòu)-聲腔耦合模型

2 駕駛室NVH仿真模型的建立與驗(yàn)證

為了還原輕卡駕駛室在實(shí)際工作中的數(shù)學(xué)行為特征，給后續(xù)的仿真分析提供基礎(chǔ)，應(yīng)首先建立輕卡駕駛室有限元模型。輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型利用有限元軟件 HyperMesh建立，輕卡駕駛室聲腔有限元模型利用 LMS. Virtual Lab建立，并分別進(jìn)行模態(tài)分析，運(yùn)用LMS Virtual.Lab/Acoustic軟件將駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和聲腔有限元模型耦合。最終建立的駕駛室結(jié)構(gòu)-聲腔耦合有限元模型如圖1所示。

在耦合模態(tài)中，結(jié)構(gòu)變形會影響聲壓分布，聲壓變化也會影響結(jié)構(gòu)振動，所以需要對輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)-聲腔耦合模型進(jìn)行模態(tài)分析。利用LMS Virtual.Lab對駕駛室的耦合模態(tài)進(jìn)行疊加運(yùn)算，計算模態(tài)頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對比如表1所示。駕駛室前5階耦合模態(tài)頻率和相應(yīng)駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率如表2所示。

由表1可知，駕駛室結(jié)構(gòu)計算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)對應(yīng)固有頻率相對誤差在10%以內(nèi)，能夠反映實(shí)際駕駛室結(jié)構(gòu)振動固有特性，可以用作 NVH特性分析。將駕駛室耦合模態(tài)與對應(yīng)的駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)對比可知，結(jié)構(gòu)與聲腔在模態(tài)分析中會產(chǎn)生相互作用，對駕駛室內(nèi)聲壓分布產(chǎn)生影響，所以在對駕駛室聲場的預(yù)測過程中采用駕駛室聲固耦合有限元模型。

3 駕駛室NVH特性分析

為了研究輕卡駕駛室 NVH特性，以駕駛室與駕駛室懸置連接處的激勵信號作為激勵，利用有限元的方法對駕駛室振動和聲學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。分別對駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁的聲壓級分布情況進(jìn)行仿真，分析車身結(jié)構(gòu)板件聲學(xué)貢獻(xiàn)量。

表1 計算模態(tài)頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率對比

表2 駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與耦合模態(tài)頻率對比

表3 兩測點(diǎn)峰值頻率及對應(yīng)A計權(quán)聲壓級

圖2 8個響應(yīng)點(diǎn)X、Y、Z方向的加速度幅值響應(yīng)曲線

輕卡駕駛室懸置上端振動為駕駛室振動的直接激勵源，因此對駕駛室與這四個懸置的連接處施加激勵。利用 LMS Virtual.Lab/ System Analysis軟件對加載點(diǎn)施加橡膠支承懸置上端X、Y、Z方向的力信號，計算頻率為0-100 Hz，步長為1 Hz。選取頻率范圍0-400Hz的模態(tài)參與計算，模態(tài)阻尼比為1%。選取頂棚中央前部、頂棚中央后部、前圍中央、后圍中央、駕駛員側(cè)地板、副駕駛側(cè)地板、右側(cè)后地板、左側(cè)后地板這8個節(jié)點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)，提取在這些位置處振動響應(yīng)情況，作出8個響應(yīng)點(diǎn)各方向的位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線。其中8個響應(yīng)點(diǎn)各方向的加速度幅值響應(yīng)曲線如圖2所示，依次為 X方向加速度幅值響應(yīng)曲線、 Y方向加速度幅值響應(yīng)曲線和 Z方向加速度幅值響應(yīng)曲線。

通過對比和分析兩圖可知，駕駛室振動響應(yīng)峰值主要出現(xiàn)在36Hz、57Hz、73Hz、75Hz、82Hz和92Hz處，繪制6個頻率下駕駛室位移響應(yīng)云圖后，發(fā)現(xiàn)駕駛室頂棚為主要響應(yīng)部件。主要原因是頂棚面積大，缺少加強(qiáng)部件，因此在激勵下容易發(fā)生較大的振動。因此可以通過在頂棚振動峰值處加強(qiáng)部件布置的方法有效改善其振動情況。

利用已建立的駕駛室聲固耦合模型，通過 Acoustics模塊仿真預(yù)測車內(nèi)聲場的響應(yīng)。對駕駛室車內(nèi)聲場的預(yù)測采用 A計權(quán)聲壓級來表示，將采集到的聲信號進(jìn)行修正，使數(shù)據(jù)更加符合符合人耳對聲音的主觀感覺。在分析隨機(jī)激勵下耦合聲場的響應(yīng)時，在駕駛室與四個懸置連接處分別施加駕駛室懸置上端 X、 Y、 Z三個方向的力信號，依據(jù)GB/ T18697-2002聲學(xué)-汽車車內(nèi)噪聲測量方法中傳聲器位置選擇聲壓檢測點(diǎn)位置，利用聲學(xué)有限元模塊來預(yù)測車內(nèi)的聲場。駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁 A計權(quán)聲壓級分別為圖3和圖4所示。

可以看出，駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁A計權(quán)聲壓級曲線趨勢基本一致，表3所示為兩個測點(diǎn)在0-100 Hz內(nèi)峰值頻率和對應(yīng)峰值頻率下的A計權(quán)聲壓級。其中駕駛員右耳旁最大聲壓級出現(xiàn)在57Hz處，頂蓋的振動較大，為主要噪聲源。副駕駛左耳旁最大聲壓級出現(xiàn)在92Hz處，頂蓋橫梁處以及前圍左下方的振動較大，為主要噪聲源。

為了驗(yàn)證仿真的正確性，以駕駛員右耳旁為例進(jìn)行實(shí)測，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

在輕卡駕駛室中，各個板件和區(qū)域都會對駕駛室聲場產(chǎn)生不同聲壓貢獻(xiàn)量，所以優(yōu)化駕駛室的聲場需要進(jìn)行駕駛室聲學(xué)板塊貢獻(xiàn)量分析。將駕駛室劃分為1前擋風(fēng)、2前圍板、3左側(cè)車門、4左側(cè)車窗、5頂蓋、 6右側(cè)車門、7右側(cè)車窗、8后圍、9后地板、10前地板10個板件，以聲學(xué)貢獻(xiàn)系數(shù)表示駕駛員右耳旁測點(diǎn)和副駕駛左耳旁測點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)情況。各板件對駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁兩個測點(diǎn)在57Hz和92Hz下的聲學(xué)貢獻(xiàn)系數(shù)如圖5和圖6所示。

從圖中可以看出，聲壓貢獻(xiàn)量較大的板件為2前圍板、5頂蓋、8后圍、9后地板、10前地板，對這些板件優(yōu)化可以降低振動。通過適當(dāng)增加板件厚度，調(diào)整頂蓋加強(qiáng)筋位置，加強(qiáng)車門與地板之間的連接關(guān)系等方法，可以達(dá)到改善駕駛室聲學(xué)環(huán)境的效果。因考慮輕量化問題，板件厚度不可過度增加。

圖3 駕駛員右耳A計權(quán)聲壓級

圖4 副駕駛員左耳A計權(quán)聲壓級

4 結(jié)語

利用驗(yàn)證正確的駕駛室聲固耦合模型，預(yù)測駕駛室耦合聲場得到以下主要結(jié)論：在36 Hz、57 Hz、73 Hz、75 Hz、82 Hz 和92 Hz處，駕駛室振動響應(yīng)達(dá)到峰值，駕駛室頂棚為主要響應(yīng)部件。通過分析駕駛室聲學(xué)板塊貢獻(xiàn)量，得到駕駛員右耳旁測點(diǎn)和副駕駛左耳旁測點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)情況，找出左側(cè)車門、頂蓋、后圍、后地板和前地板為兩測點(diǎn)聲壓主要正貢獻(xiàn)板件，可以適當(dāng)增加板件厚度，調(diào)整頂蓋加強(qiáng)筋位置，加強(qiáng)車門與地板之間的連接關(guān)系，從而優(yōu)化輕卡駕駛室聲學(xué)環(huán)境。