對(duì)某款智能四驅(qū)SUV車(chē)型車(chē)內(nèi)轟鳴聲的降噪研究

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司商用車(chē)技術(shù)中心, 上海 200438)

0 前言

噪聲是工業(yè)社會(huì)高速發(fā)展帶來(lái)的副產(chǎn)品，它與大氣污染和水污染一起被認(rèn)為是當(dāng)今世界三大公害。到2014年11月底，全球汽車(chē)保有量達(dá)到12億輛，汽車(chē)保有量的急劇增長(zhǎng)給環(huán)境和能源帶來(lái)了極大壓力，也使汽車(chē)工業(yè)受到越來(lái)越嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，汽車(chē)的噪聲污染問(wèn)題已成為“眾矢之的”[1]。近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展和人們?nèi)找嫣岣叩男枨?，人們?duì)車(chē)輛噪聲控制的要求越來(lái)越高，汽車(chē)噪聲、振動(dòng)和平順性(NVH)性能的優(yōu)劣已逐漸成為決定消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)車(chē)輛的重要因素，因此實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的NVH性能是國(guó)內(nèi)外各汽車(chē)制造商一直追求的目標(biāo)。車(chē)輛加速時(shí)產(chǎn)生的轟鳴聲會(huì)給乘員帶來(lái)耳壓感，長(zhǎng)時(shí)間處于轟鳴聲環(huán)境下，人會(huì)產(chǎn)生頭暈感，因此基于車(chē)內(nèi)轟鳴聲開(kāi)展的降噪研究是熱門(mén)課題之一，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家在轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理方面做過(guò)相關(guān)降噪研究[2-4]，但大部分主要針對(duì)前驅(qū)車(chē)型。轟鳴聲問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理尤為復(fù)雜，尤其是智能四驅(qū)車(chē)型，由于其傳遞路徑極為復(fù)雜，四驅(qū)車(chē)型在不同驅(qū)動(dòng)形式下其動(dòng)力傳動(dòng)路線不同，這對(duì)轟鳴聲的問(wèn)題識(shí)別帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，因此智能四驅(qū)車(chē)輛車(chē)內(nèi)轟鳴聲的降噪研究是難點(diǎn)問(wèn)題之一。本文基于某智能四驅(qū)SUV車(chē)型加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min左右時(shí)車(chē)內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題，綜合運(yùn)用工作變形模態(tài)(ODS)與模態(tài)分析相結(jié)合的手段，提煉出轟鳴聲識(shí)別與控制的方法。

1 問(wèn)題描述

在某款智能四驅(qū)SUV車(chē)型振動(dòng)噪聲性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，車(chē)輛全油門(mén)加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 500 r/min左右時(shí)，車(chē)內(nèi)發(fā)出的轟鳴聲伴隨耳壓感，結(jié)合實(shí)車(chē)主觀評(píng)估，參照表1的主觀評(píng)估評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[5]，加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右時(shí)車(chē)內(nèi)轟鳴聲主觀評(píng)分為5.5分，體現(xiàn)為車(chē)內(nèi)乘客主觀體驗(yàn)較差。

表1 主觀評(píng)估評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)客觀測(cè)試手段，用傳聲器對(duì)抱怨工況車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行采集，全油門(mén)加速車(chē)內(nèi)噪聲總值曲線見(jiàn)圖1。發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右車(chē)內(nèi)噪聲峰值大約為70 dB(A)，高于相鄰轉(zhuǎn)速段噪聲約10 dB(A)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速掃過(guò)該轉(zhuǎn)速段時(shí)，噪聲會(huì)突然變大，聲音變化較為突兀，給乘客帶來(lái)較差的駕駛體驗(yàn)。因此主要通過(guò)ODS和系統(tǒng)模態(tài)分析相結(jié)合的手段對(duì)該噪聲進(jìn)行識(shí)別，以提升車(chē)內(nèi)噪聲控制水平與車(chē)內(nèi)聲音品質(zhì)。

圖1 全油門(mén)加速車(chē)內(nèi)噪聲總值曲線

2 問(wèn)題定義

對(duì)加速車(chē)內(nèi)噪聲的信號(hào)進(jìn)行了快速傅里葉(FFT)變換[6]，并利用車(chē)內(nèi)駕駛員耳旁噪聲云圖和車(chē)內(nèi)噪聲曲線總值描述車(chē)內(nèi)噪聲聲源特性，見(jiàn)圖2和圖3。由圖2可知，引起抱怨的噪聲以84.5 Hz為中心頻帶，主要能量來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)二階激勵(lì)。由圖3可知，從能量占比的角度分析，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右的噪聲總值為70.4 dB(A)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右的二階噪聲值為70 dB(A)，噪聲總值與二階噪聲差值為0.4 dB(A)，由此可知該二階噪聲能量占到了總能量的90%以上，因此定義車(chē)內(nèi)引起抱怨的噪聲主要為二階噪聲，其主要頻率為84.5 Hz，抱怨噪聲幅值為70 dB(A)。

圖2 車(chē)內(nèi)噪聲云圖

圖3 加速車(chē)內(nèi)噪聲總值與二階噪聲曲線

3 抱怨噪聲識(shí)別與機(jī)理分析

針對(duì)該智能四驅(qū)SUV噪聲工況進(jìn)行了確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)該噪聲在四輪驅(qū)動(dòng)模式時(shí)較為明顯，主觀評(píng)分5.5分。當(dāng)將駕駛模式切換為兩輪驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，噪聲很大程度得以減輕，主觀評(píng)分6.5分。通過(guò)分析四驅(qū)與兩驅(qū)模式動(dòng)力傳動(dòng)路線，如圖4所示，實(shí)線箭頭為四驅(qū)模式下動(dòng)力傳動(dòng)路線，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出并傳遞到變速箱，在分動(dòng)器處進(jìn)行動(dòng)力分配，一部分動(dòng)力通過(guò)后傳動(dòng)軸、后橋傳遞到后驅(qū)動(dòng)輪。另一部分動(dòng)力通過(guò)分動(dòng)器，通過(guò)前傳動(dòng)軸、前橋傳遞到前驅(qū)動(dòng)輪[7]。整體的振動(dòng)能量也沿著動(dòng)力傳動(dòng)路線進(jìn)行傳遞。虛線箭頭為兩驅(qū)(后驅(qū))模式下的動(dòng)力傳動(dòng)路線，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出傳遞到變速箱，此時(shí)分動(dòng)器向前傳遞路線被切斷，車(chē)輛所有動(dòng)力都通過(guò)后傳動(dòng)軸、后橋傳遞到后驅(qū)動(dòng)輪。

圖4 四驅(qū)、兩驅(qū)模式動(dòng)力傳動(dòng)路線圖

從噪聲表現(xiàn)及對(duì)動(dòng)力傳遞路線的分析，初步確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速到2 500 r/min左右時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲與前傳動(dòng)系存在較大相關(guān)性。同時(shí)，根據(jù)噪聲聲源特性，噪聲在84.5 Hz存在共振頻率，車(chē)身結(jié)構(gòu)在該頻率處也可能起到較大影響。

綜上所述，從振動(dòng)源頭、傳遞路徑和響應(yīng)等角度分析，最終將導(dǎo)致噪聲的潛在影響因素羅列到因果圖形式中(圖5)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速到2 500 r/min時(shí)轟鳴聲影響因素因果圖

4 關(guān)鍵因素分析與驗(yàn)證

從結(jié)構(gòu)模態(tài)角度出發(fā)，檢查了關(guān)鍵系統(tǒng)零件的模態(tài)，確認(rèn)了在84.5 Hz附近是否存在模態(tài)耦合可能，得到的模態(tài)頻率如表2所示。

由表中模態(tài)可知，前橋模態(tài)頻率和車(chē)架模態(tài)頻率在84.5 Hz左右，因此這兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)2 500 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的轟鳴聲可能存在模態(tài)耦合現(xiàn)象。

表2 關(guān)鍵系統(tǒng)模態(tài)表

結(jié)合表2中模態(tài)分析結(jié)果和圖5中列出的關(guān)鍵影響因素，制定了關(guān)鍵因素影響分析方案表，如表3所示。分別對(duì)表中的5個(gè)因素中每個(gè)因素2水平進(jìn)行了單因素影響的對(duì)比評(píng)估。

表3 關(guān)鍵因素分析方案表

選定測(cè)試工況為3檔全油門(mén)加速工況，采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 300～4 500 r/min范圍產(chǎn)生的車(chē)內(nèi)噪聲。測(cè)試設(shè)備采用西門(mén)子SCADAS III來(lái)采集前端，測(cè)試軟件使用西門(mén)子Test lab 14A版本振動(dòng)噪聲采集軟件。

4.1 TCCU向前傳遞扭矩

從振源角度分析，四驅(qū)模式與兩驅(qū)模式相比，四驅(qū)模式向前傳遞扭矩比兩驅(qū)模式更大。通過(guò)調(diào)整TCCU向前傳遞扭矩大小來(lái)判斷振動(dòng)傳遞路徑。如圖6所示，圖中實(shí)線為車(chē)輛設(shè)計(jì)狀態(tài)向前傳遞扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右，對(duì)應(yīng)的從分動(dòng)器向前傳動(dòng)軸傳遞扭矩為170 N·m。圖中虛線為通過(guò)調(diào)整TCCU標(biāo)定數(shù)據(jù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 500 r/min左右時(shí)從分動(dòng)器向前傳動(dòng)軸傳遞扭矩由170 N·m調(diào)整為50 N·m，對(duì)比兩種狀態(tài)下振動(dòng)噪聲曲線(圖7)。由圖7可知，當(dāng)TCCU向前傳遞扭矩由170 N·m減小到50 N·m時(shí)，加速到轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲降低了3.5 dB(A)。在低扭矩輸入時(shí)，前橋振動(dòng)和車(chē)內(nèi)噪聲均明顯小于高扭矩情況，由此可以確定前傳動(dòng)軸是前橋共振激振力的主要傳遞路徑。

圖6 TCCU向前傳遞扭矩圖

圖7 不同TCCU向前傳遞扭矩對(duì)應(yīng)車(chē)內(nèi)噪聲曲線

4.2 前傳動(dòng)軸傳遞路徑

根據(jù)TCCU向前傳遞不同扭矩時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲曲線分析，已初步鎖定前傳動(dòng)軸為關(guān)鍵傳遞路徑，結(jié)合整車(chē)ODS測(cè)試與模態(tài)測(cè)試結(jié)果，在整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右車(chē)內(nèi)轟鳴聲發(fā)生時(shí)，分動(dòng)器X向(前傳動(dòng)軸軸向)振動(dòng)通過(guò)前傳動(dòng)軸傳遞至前橋，前傳動(dòng)軸是前橋共振激振力的主要傳遞路徑，振動(dòng)能量在前傳動(dòng)系解耦可以通過(guò)伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)。本文主要研究了前傳動(dòng)軸采用伸縮型等速節(jié)方案，伸縮型等速節(jié)零件圖(圖8)。

圖8 伸縮型等速節(jié)零件圖

對(duì)比測(cè)試十字節(jié)(原車(chē)狀態(tài))和伸縮型等速節(jié)傳動(dòng)軸車(chē)內(nèi)噪聲水平后得到結(jié)果，如圖9所示。當(dāng)前傳動(dòng)軸形式由十字節(jié)變更為伸縮型等速節(jié)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲降低5.1 dB(A)，主觀評(píng)估無(wú)抱怨，主觀標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分為7分，因此該方案可以有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右車(chē)內(nèi)轟鳴聲。

圖9 前傳動(dòng)軸伸縮型等速節(jié)車(chē)內(nèi)噪聲曲線

4.3 前橋模態(tài)

在振動(dòng)噪聲問(wèn)題排查時(shí)常使用模態(tài)測(cè)試和ODS試驗(yàn)相結(jié)合的手段進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)模態(tài)振型與ODS工作變形相似度較高時(shí)，則可作為判斷該系統(tǒng)發(fā)生共振的依據(jù)之一。從關(guān)鍵系統(tǒng)模態(tài)結(jié)果中識(shí)別出前橋X向一階彎曲模態(tài)86.1 Hz (帶有一定的剛體模態(tài))與問(wèn)題頻率84.5 Hz接近，該階模態(tài)的振型與問(wèn)題(轉(zhuǎn)速)工況下對(duì)應(yīng)階次的ODS吻合度較高，由此初步確定前橋發(fā)生了86.1 HzX向一階彎曲共振，前橋共振為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時(shí)產(chǎn)生轟鳴聲的重要原因。通常對(duì)于系統(tǒng)模態(tài)共振，常采用的手段有調(diào)頻或降幅。從降幅角度，可以在前橋位移最大處加動(dòng)力吸振器；從調(diào)頻角度，可以通過(guò)改變前橋懸置剛度來(lái)調(diào)整前橋模態(tài)，進(jìn)而與抱怨噪聲頻率進(jìn)行避頻處理。

4.3.1前橋動(dòng)力吸振器方案驗(yàn)證

如圖10所示，考慮裝配可行性，設(shè)計(jì)了前橋頻率84 Hz動(dòng)力吸振器安裝位置。圖中白色區(qū)域?yàn)閯?dòng)力吸振器安裝區(qū)域。

圖10 前橋84 Hz動(dòng)力吸振器安裝位置圖

如圖11所示，對(duì)比了測(cè)試動(dòng)力吸振器安裝前后車(chē)內(nèi)噪聲曲線。當(dāng)前橋加84 Hz動(dòng)力吸振器后，車(chē)內(nèi)加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)轟鳴聲降低了4.8 dB(A)，主觀評(píng)估無(wú)抱怨，該方案可以有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速至2 500 r/min附近車(chē)內(nèi)轟鳴聲。

圖11 前橋84 Hz動(dòng)力吸振器車(chē)內(nèi)噪聲曲線

4.3.2前橋懸置剛度調(diào)整方案驗(yàn)證

前橋X向一階彎曲模態(tài)86.1 Hz與問(wèn)題頻率84.5 Hz接近，為了改善轉(zhuǎn)速為2 500 r/min左右時(shí)車(chē)內(nèi)轟鳴聲，也可通過(guò)將前橋3個(gè)懸置剛度進(jìn)行改變的方式調(diào)整前橋模態(tài)頻率，如圖12所示。將結(jié)合仿真分析，當(dāng)把前橋3個(gè)懸置剛度從3 900 N/mm調(diào)整到4 900 N/mm，前橋模態(tài)由85 Hz提升至92 Hz。

圖12 前傳動(dòng)軸伸縮型等速節(jié)車(chē)內(nèi)噪聲曲線

實(shí)車(chē)測(cè)試前橋3個(gè)懸置剛度調(diào)整前后車(chē)內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，噪聲曲線見(jiàn)圖13。當(dāng)把前橋3個(gè)懸置剛度從3 900 N/mm調(diào)整到4 900 N/mm，加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲降低了0.9 dB(A)，主觀評(píng)估無(wú)改善。因此可以得出結(jié)論，通過(guò)調(diào)整前橋懸置剛度的方式改善發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加速到2 500 r/min左右時(shí)的車(chē)內(nèi)轟鳴聲效果有限。

圖13 前橋懸置剛度優(yōu)化方案車(chē)內(nèi)噪聲曲線

5 結(jié)論

對(duì)于智能四驅(qū)SUV車(chē)型將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加速到2 500 r/min左右時(shí)的車(chē)內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題，最終得到以下結(jié)論：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲主觀評(píng)分5.5分，噪聲峰值約70 dB(A)，該噪聲產(chǎn)生的主要原因?yàn)閯?dòng)力總成X向激勵(lì)通過(guò)前傳動(dòng)軸向前傳遞，前橋86 HzX向一階彎曲模態(tài)被激勵(lì)從而產(chǎn)生共振，前橋共振能量通過(guò)車(chē)架、車(chē)身懸置并最終激勵(lì)車(chē)身鈑金從而形成輻射聲。

(2)前傳動(dòng)軸采用伸縮型等速節(jié)加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲可降低5.1 dB(A)，主觀評(píng)估7分，車(chē)內(nèi)無(wú)轟鳴聲，主觀評(píng)分提升1.5分，改善效果顯著。

(3)前橋加84 Hz動(dòng)力吸振器在2 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲降低4.8 dB(A)，主觀評(píng)估7分，車(chē)內(nèi)無(wú)轟鳴聲，主觀評(píng)分提升1.5分，改善效果顯著。

專(zhuān)家簡(jiǎn)介

袁衛(wèi)平，上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司商用車(chē)技術(shù)中心整車(chē)集成部NVH科高級(jí)經(jīng)理、資深專(zhuān)家、教授級(jí)高工、碩士研究生導(dǎo)師、ISO/TC70/WG13和SAC/TC177/WG11工作組組長(zhǎng)，從事汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)噪聲振動(dòng)控制研究30余年，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，編有專(zhuān)著、發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文、擁有多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。

專(zhuān)家推薦辭

車(chē)輛加速轟鳴聲極易引起乘客體驗(yàn)較差，同時(shí)轟鳴聲產(chǎn)生的機(jī)理極為復(fù)雜，因此國(guó)內(nèi)、外很多專(zhuān)家在轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理方面做一些降噪研究，但大部分主要針對(duì)兩驅(qū)車(chē)型，其研究方向也主要著眼于更改車(chē)身結(jié)構(gòu)來(lái)改善轟鳴聲。通過(guò)更改車(chē)身結(jié)構(gòu)來(lái)改善轟鳴聲其效果極其有限，且代價(jià)較高。國(guó)內(nèi)、外對(duì)于智能四驅(qū)車(chē)型轟鳴聲研究的較少，尤其是在激勵(lì)源、傳遞路徑等方面研究的更少。

本文通過(guò)對(duì)全油門(mén)加速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至2 500 r/min左右時(shí)車(chē)內(nèi)轟鳴聲噪聲OA、階次曲線和噪聲瀑布圖進(jìn)行分析，精確鎖定了車(chē)內(nèi)抱怨噪聲頻率及階次貢獻(xiàn)量。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加速到2 500 r/min左右時(shí)，車(chē)內(nèi)轟鳴聲控制因果圖的分析，最終選擇了可行的優(yōu)化方向進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證。優(yōu)化方案從轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，沿整個(gè)動(dòng)力傳遞路徑尋求解決方案，涉及分動(dòng)器扭矩傳遞、前傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)形式、前橋懸置剛度及前橋加裝動(dòng)力吸振器，全文邏輯清晰、思維縝密。

通過(guò)整車(chē)道路試驗(yàn)進(jìn)行方案驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合聲學(xué)特性，通過(guò)更改前傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)形式或在前橋加84 Hz動(dòng)力吸振器，加速過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min左右車(chē)內(nèi)轟鳴聲均可降低5 dB(A)左右，主觀評(píng)分提升1.5分，車(chē)內(nèi)無(wú)轟鳴聲，改善效果顯著。

本文所涉及的優(yōu)化方向是結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)所提出的，對(duì)于讀者，拓寬了識(shí)別和控制整車(chē)加速轟鳴聲解決的思路，也節(jié)省了寶貴的時(shí)間，為加速整車(chē)車(chē)內(nèi)轟鳴聲的進(jìn)一步定性研究和定量分析提供了機(jī)理說(shuō)明和事實(shí)依據(jù)，值得推薦一讀。