基于多參考TPA與ODS的路噪診斷及優(yōu)化

黃劍鋒

摘 要：本文介紹了路噪的產生機理和優(yōu)化手段，介紹了多參考TPA的基本原理和分析流程。然后通過某車型路噪問題的優(yōu)化實例說明了：1.多參考TPA可全面對比傳遞路徑對車內噪聲的影響，能可靠識別出主要傳遞路徑，然后分析傳遞路徑的載荷和NTF。但多參考TPA易使工程師將注意力局限在一條路徑之中，無法發(fā)現(xiàn)影響主要路徑的真正因素。2.路噪問題的診斷及優(yōu)化流程應遵循整車排查——部件診斷——系統(tǒng)分析——部件優(yōu)化的思路。即從整體上把握與排查，然后從細節(jié)上分析主要影響因素，再從系統(tǒng)的層面來分析問題，然后又從細節(jié)上專研優(yōu)化措施。

關鍵詞：路噪；多參考TPA；ODS

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0072-06

Abstract： In this paper the fundamental mechanism and optimizing method of road noise was reviewed. In order to optimize the road noise of the vehicle， multi-reference Transfer Path Analysis was established. A practical example was introduced to indicate two points. Firstly， Multi-reference TPA can be used to compare the contribution of different transfer paths. However， determinants could often be ignored， because most of automotive engineer tend to be only pay attention to key transfer paths. Secondly， the diagnosing and optimizing process should begin with diagnosing on the whole vehicle， analyzing the key transfer paths， then looking into the problem in subsystem. At last， to improve the NVH performance by optimizing parts.

Key Words： Road Noise；Multi-Reference TPA；ODS

隨著市場競爭加劇以及消費者趨于理性，舒適性受到越來越多的關注。NVH（噪聲、振動及不平順性）作為舒適性的主要指標，成為消費者選擇家庭用車時考量的重要因素之一。汽車行駛過程中，路噪是用戶反饋較多的NVH問題，亦是新能源汽車的主要NVH問題。

1 路噪機理及優(yōu)化手段

路噪空氣傳播噪聲的機理是：輪胎與路面摩擦、輪胎與路面相互作用及輪胎的變形而產生的噪聲，經過空氣傳播到車內，導致車內噪聲增大。

路噪結構傳播噪聲的產生機理是：路面隨機激勵，經輪胎、底盤系統(tǒng)傳遞，引起車身結構振動向車內輻射的噪音[1]。

路噪由多個相關的激勵源引起，產生機理比較復雜，且各傳遞路徑的振動相互耦合，因此常規(guī)方法很難解決路噪問題。本文采用如圖1所示的路噪問題診斷及優(yōu)化思路，具體操作方法如下：

1. 通過多參考TPA確定路噪問題的主要傳遞路徑；

2. 通過工作變形分析（ODS）、隔振、NTF及頻響等方法對主要傳遞路徑進行問題診斷；

3. 通過模態(tài)分析等方法研究子系統(tǒng)或子系統(tǒng)中其他路徑對主要路徑的影響；

4. 通過模態(tài)修改預測等方法對子系統(tǒng)零部件的優(yōu)化效果進行排序，確定最佳優(yōu)化方案。

最后，制作樣件，裝車進行試驗驗證。

2 多參考TPA理論基礎

2.1 多參考TPA分析流程

對于路噪而言，傳遞路徑所傳遞到車身的激勵力由四個相關的激勵源引起（車輪與路面的相互作用），且不同的傳遞路徑間沒有固定的相位延遲。因此，路噪TPA是經典的多參考TPA問題。多參考TPA的主要分析流程為[2][3]：

1. 通過主分量分析將目標點和指示點的實測數(shù)據分解成不相關的虛擬參考譜；

2. 將一個主分量數(shù)據集看成一個工況數(shù)據，通過虛擬參考譜和傳遞函數(shù)分別計算各個主分量的傳遞路徑激振力；

3. 分別對各主分量進行TPA分析，合成各主分量的目標點響應；

4. 對所有主分量進行RMS相加，合成傳遞路徑激勵力、目標點響應。

2.2 PCA分析基礎

3 某車型60 km/h 路噪問題研究

3.1 路噪問題描述

某車型常規(guī)摸底測試結果顯示，在粗糙路60km/h勻速行駛工況下，駕駛員右耳噪聲總值高于目標值。駕駛員右耳噪聲頻譜如圖3所示。由圖可知，對噪聲總值影響較大的幾個峰值依次是170Hz左右、230Hz、100Hz。其中230Hz、100Hz與輪胎相關，降低該頻率的噪聲幅值難度較大。而170Hz峰值對總聲壓級貢獻較大，且與對標車水平差距較大，優(yōu)化空間較大。因此本文通過優(yōu)化170Hz峰值噪聲來降低路噪。

3.2 主要傳遞路徑識別

為了明確170Hz峰值問題的產生原因，并縮小問題范圍，對樣車進行多參考TPA 測試。

3.2.1 工況數(shù)據測試

工況數(shù)據測試主要包括測試工況的確定和試驗測點的確定。

（1）測試工況

工況數(shù)據測試工況的主要要求：路面為粗糙路，車速為60km/h勻速行駛，車輛半載，設計胎壓，風速小于3m/s。

（2）試驗測點

如圖4所示，在懸架系統(tǒng)的各個車身接附點附近各布兩個傳感器，作為工況數(shù)據測試的測點。這些測點即是多參考TPA的指示點。本文所測接附點包括：前塔座、前下擺臂安裝點、前穩(wěn)定桿安裝點、后塔座、后彈簧支座、后上擺臂安裝點、后下擺臂安裝點、前束桿安裝點、后穩(wěn)定桿安裝點、拖曳臂安裝點等。

3.2.2 頻響函數(shù)測試

拆除輪胎和懸架系統(tǒng)，測試3.2.1所述懸架車身接附點到指示點之間的頻響函數(shù)；并同時測試3.2.1所述懸架車身接附點到車內目標點的NTF函數(shù)。

3.2.3 多參考TPA分析

將3.2.1獲得的指示點響應數(shù)據通過PCA轉換成解耦的虛擬參考譜，然后結合3.2.2獲得的頻響函數(shù)，通過矩陣求逆法即可求得各傳遞路徑的激勵力。最后經過響應合成和基本貢獻量分析，可得到如圖5所示的貢獻量排序圖。從圖中可知，對170Hz左右峰值影響較大的傳遞路徑是左右前下擺臂Z向和X向。

進一步分析前下擺臂傳遞路徑貢獻量。首先查看如圖6所示的前下擺臂車身接附點聲振傳遞函數(shù)。前下擺臂接附點各方向到駕駛員右耳的聲振函數(shù)幅值都在目標值以下，因此NTF不是前下擺臂傳遞路徑的決定因素。由圖7可知，前下擺臂激振力幅值較大，且170Hz峰值在100Hz～300Hz頻段內峰值最高。

綜上，170Hz路噪問題的主要傳遞路徑是：輪轂——前下擺臂——車身——駕駛員右耳。傳遞路徑的主要影響因素是前下擺臂。

3.3 主要部件問題診斷

本文通過前下擺臂安裝點襯套隔振測試，前下擺臂本體頻響測試和前下擺臂ODS，調查前下擺臂傳遞路徑激振力較大的原因。

隔振測試結果顯示，前下擺臂安裝點襯套Z向隔振較好。原點頻響測試結果表明前下擺臂在200Hz以內不存在彈性體模態(tài)。

而圖8的前下擺臂ODS結果表明，前下擺臂的170Hz振型為上下擺動。轉向節(jié)側振動幅度較小，副車架側振動幅度較大，因此前下擺臂運動可能是其他部件引起的。

3.4 系統(tǒng)級原因分析

本文進行前懸架模態(tài)測試，調查懸架系統(tǒng)對前下擺臂運動的影響。前懸架模態(tài)分析結果顯示，麥弗遜前懸架在170Hz存在懸架整體彈性模態(tài)。170Hz振型如圖9所示，輪輞發(fā)生Rx運動、減振器發(fā)生Y向運動及轉向節(jié)發(fā)生彈性變形，前下擺臂在上述運動的帶動下發(fā)生了上下運動。因此，改變前下擺臂170Hz振動特性的途徑包括：調整減振器、輪輞、輪胎及轉向節(jié)的特性。

3.5 優(yōu)化方案及驗證

本文通過模態(tài)修改預測嘗試優(yōu)化前懸架170Hz整體彈性模態(tài)。通過對比減振器、轉向節(jié)及輪輞的結構修改預測結果可知，在減振器上安裝0.5kg吸振器可得到最佳效果。但吸振器方案在整車上難以實施，因此本文選擇調整轉向節(jié)動剛度。圖10-a所示為原轉向節(jié)。將圖10-b所示位置的動剛度提高3000N/mm后懸架模態(tài)變化如圖11所示：170Hz峰值頻率上升10Hz，同時幅值降低了30%以上。結合上文的前下擺臂Z向NTF特性，轉向節(jié)動剛度調整方案能有效起到避頻和降低車內響應的目的。

本文為某車型重新開發(fā)了如圖12所示的鋁合金轉向節(jié)。

安裝鋁合金轉向節(jié)后，粗糙路60km/h勻速行駛工況實車路試效果明顯。由圖13可知，駕駛員右耳噪聲170Hz左右峰值得到了明顯改善，同時噪聲總值下降到目標值以下1dB。

4 結論

本文介紹了多參考TPA的基本原理和分析流程。然后以某車型駕駛員右耳噪聲不達標為例，介紹了以整車排查——部件診斷——系統(tǒng)分析——部件優(yōu)化的路噪診斷及優(yōu)化流程為指導，采用多參考TPA分析方法、ODS分析方法以及模態(tài)分析等分析方法，解決路噪問題的整個過程。本文以路噪優(yōu)化實例說明了以下問題：

多參考TPA可以全面的對比傳遞路徑對車內噪聲的影響，能可靠地識別出主要傳遞路徑，還可進一步分析傳遞路徑的載荷和NTF。稍有不足的是，多參考TPA可以指出主要傳遞路徑，卻不能充分說明其成為主要路徑的原因。因此易使工程師將注意力局限在一條路徑之中，不能發(fā)現(xiàn)影響主要路徑的真正因素。

路噪問題的診斷及優(yōu)化流程應遵循整車排查——部件診斷——系統(tǒng)分析——部件優(yōu)化的思路。即從整體上把握與排查，然后從細節(jié)上分析主要影響因素，再從系統(tǒng)的層面來分析問題，然后又從細節(jié)上專研優(yōu)化措施。本文實際解決粗糙路60km/h駕駛員右耳噪聲過大問題案例，說明了這種路噪問題診斷思路的合理性。

參考文獻：

[1]劉念斯，張志達，陳瑋，等. OTPA 結合傳函分析在路噪研究中的應用[J]. 科學技術與工程，2017，17（12）： 14-20.

[2]LMS TPA Advanced Class： Multi-reference Transfer Path Analysis[Z]. 2013

[3]LMS Virtual.Lab Rev 12 NVH： Principal Component Analysis[Z]. 2015

[4] J Plunt. Finding and Fixing Vehicle NVH Problems with Transfer Path Analysis[J]. Sound & Vibration， 2005，39 （11） ：12-17.

[5]César Helou T. da Silva， Fábio G. Ferraz， Leopoldo P. R. de Oliveira. Customized Road TPA to Improve Vehicle Sensitivity to Rumble Noise from Tires/Wheels Lateral Forces[C]. SAE Technical Paper， 2010-36-0553.