整車路面噪聲仿真分析*

宮喚春

（燕京理工學院）

路面噪聲簡稱路噪，是指汽車在不平路面上行駛時，受到的沖擊振動傳到車廂內(nèi)的噪聲[1]，是評價整車NVH性能好壞的重要參數(shù)。路面的凹凸不平引發(fā)的車體振動是難以避免的，如果能夠在汽車設計過程中采用CAD/CAE輔助技術計算出車廂內(nèi)的噪聲范圍，對車身設計進行優(yōu)化改進，能夠有效降低噪聲對乘員舒適度的影響，也能夠提高汽車的研發(fā)質量。通常汽車路噪預測方法主要有2種：一種是通過建立輪胎模型[2]，在輸入路面不平度的條件下進行模態(tài)分析計算路噪；另一種是將輪胎忽略不計，以輸入到軸頭位置的激振力[3]計算路面噪聲。由于汽車行駛過程中輪胎結構變化較大且輪胎具有非線性的特性，使得難以對輪胎建立精確的模型，在輪胎建模過程中需要較多的結構和材料數(shù)據(jù)，所以文章采用第2種方法，將建模仿真和實車試驗相結合，利用車輛轉向系統(tǒng)的轉向節(jié)加速度響應數(shù)據(jù)和仿真計算得出輪胎中心到測試位置的傳遞函數(shù)，提取輪胎離心力參數(shù)，對汽車在特定工況下的路噪進行仿真計算分析與優(yōu)化。

1 整車建模與分析

1.1 仿真分析流程

文章通過將車輪離心力作為激振源進行仿真計算，在路面不平度激勵下得出車廂內(nèi)的噪聲響應特性。以某SUV作為試驗車在特定的凹凸不平的路面測取轉向節(jié)處的振動信號，通過整車有限元分析模型[4]計算出車輪中心點到振動測量點位置處的力與加速度的傳遞函數(shù)，利用傳遞函數(shù)逆矩陣法[5]計算得出車輪的離心力。最后把4個車輪的離心力同時加載到整車有限元分析模型上便可以得出整車的路面噪聲。圖1示出整車路面噪聲仿真流程。仿真方法具有如下優(yōu)點：1）忽略了輪胎模型非線性的影響，仿真精確度得以提高；2）在整車路噪仿真計算和優(yōu)化過程中增加懸架系統(tǒng)，能夠為優(yōu)化方法提供更多的參考；3）路噪頻率分析范圍擴大，不但覆蓋了中低頻段，也擴展到高頻段。

圖1 整車路面噪聲仿真流程

1.2 整車仿真模型建模

利用HyperWorks軟件中的NVHD模塊[6]，以某SUV為例建立整車有限元模型，如圖2所示，進行路噪計算分析。整車有限元模型主要由車身、內(nèi)飾、轉向系統(tǒng)、動力裝置及懸架系統(tǒng)5個部分組成。

圖2 整車有限元模型

整車有限元模型建立后，為了驗證模型精度，需要進行模態(tài)計算分析，對模型準確性進行驗證和調試，檢查車身各連接件是否完整以及底盤系統(tǒng)各運動副是否正確。模態(tài)分析結果，如圖3所示。模態(tài)分析結果主要體現(xiàn)轉向系統(tǒng)的垂直方向、橫向、操縱等模態(tài)以及動力裝置的模態(tài)，了解振動集中位置。由圖3模態(tài)仿真計算結果可知：動力裝置發(fā)動機剛體模態(tài)比其余位置稍高，轉向系統(tǒng)操縱模態(tài)小于4 Hz，轉向部件運轉正常，懸架系統(tǒng)模態(tài)在12～16 Hz，總體分布合理。車身各處連接緊固，底盤系統(tǒng)各部件運轉正常，整車有限元模型能夠滿足有限元分析仿真的精度要求，能夠完成路面噪聲計算分析與優(yōu)化。

圖3 整車有限元模態(tài)分析

1.3 車輪中心位置載荷采集

車輪中心位置載荷是通過采集實車轉向節(jié)上的角加速度信號，并利用仿真計算得出車輪中心傳遞函數(shù)矩陣。文章通過實車試驗測取數(shù)據(jù)，轉向節(jié)測點布置，如圖4所示，圖4中各點為安裝振動傳感器的位置。車廂內(nèi)噪聲在駕駛員右耳位置處測取，如圖5所示。實車試驗在凹凸不平的壞路上完成，測試車速為60 km/h，變速器處于最高擋。

圖4 轉向節(jié)振動傳感器安裝位置

圖5 車廂內(nèi)噪聲測試位置

計算各車輪中心每個自由度到轉向節(jié)傳感器測試點和車廂內(nèi)響應點的傳遞函數(shù)，每個車輪分別選取縱向、橫向、側向以及3個旋轉方向共6個方向，共24種不同工況。由傳遞函數(shù)和測得的轉向節(jié)振動信號共同計算出每個車輪中心處的負載。

2 整車路面噪聲仿真分析

將車輪中心處的負載加載于整車有限元模型，計算出在不同凹凸路面的整車路面噪聲結果，并與實車測量結果進行比較，如圖6所示。

圖6 路面噪聲仿真計算與實車試驗對比

從圖6可以看出：仿真計算結果與實車試驗結果的噪聲峰值和變化趨勢非常類似，仿真計算過程中位于45 Hz位置時產(chǎn)生峰值，而實車試驗中此處未有峰值；在95 Hz位置時仿真計算和實車試驗測試都產(chǎn)生了噪聲峰值，此處可以成為路面噪聲優(yōu)化的目標。通過實車分析發(fā)現(xiàn)，仿真計算中45 Hz位置處的峰值是由行李艙背門的模態(tài)引發(fā)，可以詳細檢查有限元模型中背門的配重，通過調整密封條、緩沖塊和鎖扣的剛度，與實車試驗的背門模態(tài)值進行對比分析。

3 結論

路面噪聲分析是汽車NVH分析中重要的內(nèi)容，直接關系到整車的性能和質量。為了高效分析路面噪聲，文章利用HyperWorks軟件中的NVHD模塊建立了整車有限元分析模型，通過忽略輪胎系統(tǒng)，采用實車試驗與仿真計算相結合的方法，在轉向節(jié)上布置測點測取加速度和輪胎中心到測試點的傳遞函數(shù)，計算出不同凹凸路面情況下輪胎中心的負載。該建模方法能夠比較精確地獲取車輪中心處的負載。通過路面噪聲仿真計算與實車試驗結果的比較，可以得出二者的路噪峰值與變化趨勢比較接近，仿真準確性和精度較高，為進一步優(yōu)化路噪分析提供了參考依據(jù)。