某車型轟鳴問題實驗控制方法研究

吳文江，董紅濤，劉佳

（1.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

引言

NVH性能是衡量整車舒適性以及彰顯技術(shù)實力的重要標(biāo)志，它是客戶能直接感受到的，一輛車能否贏得市場青睞，NVH性能已成為衡量標(biāo)準(zhǔn)。而轟鳴作為NVH性能的重要表現(xiàn)形式之一，不僅影響客戶對整車舒適性的評價，而且會極大影響駕駛安全性，因此避免轟鳴現(xiàn)象的發(fā)生顯得尤為重要。

近年來，NVH分析理論與仿真技術(shù)比較成熟，一些學(xué)者和領(lǐng)域技術(shù)人員運用試驗與 CAE仿真相結(jié)合的技術(shù)解決了某些工況下的轟鳴問題，如：閆碩等針對某款SUV怠速車內(nèi)轟鳴問題運用有限元分析、模態(tài)試驗和ODS等仿真和測試技術(shù)，使車內(nèi)轟鳴聲在問題頻率處幅值大幅降低，取得了很好的效果[1]。穆國寶等通過有效的理論計算和CAE分析技術(shù)并結(jié)合試驗有效的解決了某車型的加速轟鳴問題[2]。但實際上建立仿真模型所需的邊界條件誤差還是達不到實際運用所要求的精度，新車上市前通過試驗方式對整車各系統(tǒng)（如懸架系統(tǒng)+汽車傳動系統(tǒng)+動力總成系統(tǒng)等）進行調(diào)校仍然是目前最真實、最有效的開發(fā)步驟，也是新車上市前的最后一道改進措施[3]。

本文針對某汽車品牌即將上市的新車型加速工況下3600rpm附近存在的前排轟鳴問題，應(yīng)用LMS Test.lab軟件進行實驗測試診斷，提出了解決該問題的方案并通過實驗驗證了方案的有效性，對同類問題的控制具有借鑒意義。

1 轟鳴噪聲產(chǎn)生機理

汽車乘坐室內(nèi)是一個充滿空氣的密閉空間，而作為彈性體的空氣會在密閉的乘坐室內(nèi)形成許多振動模態(tài)或聲腔模態(tài)，當(dāng)密閉的乘坐室受到壓縮時，就會產(chǎn)生體積變化并有很高的阻抗，與乘坐室內(nèi)的空氣的聲腔模態(tài)在低頻范圍內(nèi)有很強的耦合作用。這種低頻的耦合模態(tài)在激勵作用下如果響應(yīng)過大，便會在車內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動，引起人耳不適，甚至出現(xiàn)頭暈、惡心等癥狀，這種現(xiàn)象被稱為轟鳴聲（Boom）[4]。可見轟鳴聲是在激勵源作用下經(jīng)傳遞路徑到達車身使車身壁板某部分的振動與聲腔模態(tài)耦合而產(chǎn)生的結(jié)果，因此要解決轟鳴噪聲問題首先需要找到激勵源，以確定激起聲腔模態(tài)的頻率，然后可以采用控制激勵源、傳遞路徑或者響應(yīng)的措施對轟鳴聲加以控制。

2 轟鳴聲實驗測試分析

2.1 激勵源分析

試驗車輛為某汽車品牌的CVT車型，發(fā)動機為直列四缸四沖程發(fā)動機。主觀評價該車型在D檔緩油門加速工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3600rpm附近時駕駛室轟鳴聲明顯。根據(jù)主觀評價結(jié)果在干燥瀝青路面上對該車型進行噪聲測試， 發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3600rmp附近噪聲聲壓總級存在明顯的峰值，達到73.6dB，這與主觀評價吻合，并且2階噪聲在3600rpm附近貢獻量最大，圖1所示。

圖1 D檔緩油門加速駕駛員右耳噪聲總級及階次

分析 colormap圖發(fā)現(xiàn)該噪聲的能量分布具有很明顯的階次性，并且3500-3700rpm，116-123Hz存在明顯的共振帶，這是導(dǎo)致2階噪聲能量貢獻大的原因，圖2所示。

圖2 駕駛員座椅右耳噪聲colormap圖

由以上分析可確定該轟鳴噪聲的頻率為120Hz附近。由直列四缸四沖程發(fā)動機的固有特性可由下式計算發(fā)動機的點火階次頻率：

其中i=2，n=3600rpm帶入上式可得f=120Hz。結(jié)合發(fā)動機振動引起的噪聲具有明顯的階次能量分布的特點[5]，可確定該轟鳴噪聲問題的激勵源為發(fā)動機2階激勵。

2.2 響應(yīng)點振動分析

為確定是否有車身板件與聲腔模態(tài)耦合，應(yīng)用LMS Test.lab軟件中的Spectral -Testing模塊進行聲腔模態(tài)測試得到前兩階聲腔模態(tài)，如圖3、圖4所示。一階模態(tài)頻率63.7165Hz，二階模態(tài)頻率122.5922Hz，可見確實有車身板件在120Hz附近與二階聲腔模態(tài)耦合。

圖3 一階聲腔模態(tài)

圖4 二階聲腔模態(tài)

該轟鳴聲主要集中于車內(nèi)前排，對頂棚前部以及前左右車門鈑金件較薄弱部位進行NTF（Noise Transfer Function）測試。測試結(jié)果表明在120Hz頻率附近駕駛員右耳處噪聲都有較明顯的峰值，如圖5至7所示。后續(xù)將對這些位置的振動噪聲進行優(yōu)化控制。

圖5 頂棚NTF曲線

圖6 前左車門NTF曲線

圖7 前右車門NTF曲線

2.3 傳遞路徑分析

由于該轟鳴噪聲的激勵源為發(fā)動機2階激勵，故優(yōu)先考慮發(fā)動機右側(cè)的傳遞路徑， 初步判斷該轟鳴聲的傳遞路徑為：發(fā)動機→右懸置→右前縱梁→車身→轟鳴。

針對上述傳遞路徑，在懸置、右前縱梁位置布置三向加速度傳感器，在干燥瀝青路面上D檔緩油門加速工況下進行多組道路測試，結(jié)果顯示車身右前縱梁2階Y向振動在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3600rpm附近有明顯峰值對駕駛員座椅右耳聲壓總級貢獻量較大，如圖8所示。驗證了上述傳遞路徑分析的正確性。

圖8 傳遞路徑分析圖

3 轟鳴噪聲控制方案

3.1 優(yōu)化方案分析

基于源-傳遞路徑-響應(yīng)的NVH控制思路，針對該轟鳴問題可以從激勵源、傳遞路徑、響應(yīng)點3個方面加以控制。該車型屬于新車上市前的最后調(diào)校階段，發(fā)動機已經(jīng)定型對激勵源即發(fā)動機的調(diào)整已經(jīng)沒有可行性；對振動噪聲的傳遞路徑進行控制是解決 NVH問題的普遍做法，也是最有效的做法；對響應(yīng)點的控制主要是通過聲學(xué)包裝衰減振動噪聲。

綜合考慮成本及結(jié)構(gòu)空間的可操作性，最后決定采取在前左右車門以及前頂棚內(nèi)鈑金部位附加瀝青阻尼片及在車身右前縱梁位置懸垂安裝動力吸振器的綜合優(yōu)化措施對該轟鳴問題加以控制。

3.2 阻尼動力吸振器設(shè)計

根據(jù)鄧哈托等人由固定點理論得到的優(yōu)化結(jié)果設(shè)計阻尼動力吸振器，主要設(shè)計步驟如下：

（1）選擇合適的質(zhì)量比，確定動力吸振器的質(zhì)量 m。計算公式為 m=μ×Mr其中 Mr為主振動系統(tǒng)的質(zhì)量，μ為動力吸振器與主振動系統(tǒng)的質(zhì)量比，一般 μ的取值范圍為0.1-0.3。考慮到布置空間及成本問題，一般動力吸振器的質(zhì)量不宜超過 2Kg，這里取 μ=0.1，選擇的動力吸振器的質(zhì)量m=2Kg。

（2）根據(jù)最佳調(diào)諧比λ確定動力吸振器的固有頻率和動剛度。

式中 ωa動力吸振器的固有圓頻率；ωn為主振動系統(tǒng)的固有圓頻率；fa為動力吸振器固有頻率；fn為主系統(tǒng)固有頻率；k為動力吸振器動剛度。

（3）根據(jù)最佳阻尼比公式，計算粘性阻尼系數(shù)ηa。

（4）根據(jù)以上動力吸振器設(shè)計參數(shù)，充分考慮布置、結(jié)構(gòu)等因素設(shè)計動力吸振器，然后將動力吸振器懸垂布置于車身右前縱梁位置，安裝狀態(tài)如圖9所示。

圖9 動力吸振器安裝位置

4 轟鳴控制方案試驗驗證

4.1 加阻尼片方案驗證

車身壁板屬于輕薄結(jié)構(gòu)，而輕薄結(jié)構(gòu)有容易產(chǎn)生振動噪聲的問題，控制這種振動噪聲的一個有效方法就是在結(jié)構(gòu)局部附加阻尼材料。所謂阻尼減振技術(shù)，就是將高阻尼材料附著在結(jié)構(gòu)件表面，通過耗散結(jié)構(gòu)件的能量達到減振目的。這種方法不改變機器的聲輻射特征，卻能有效控制其振動水平，從而使噪聲減小[6]。在頂棚前部以及前左右車門內(nèi)鈑金件較薄弱部位粘貼瀝青阻尼片，在干燥瀝青路面上，測試D檔緩油門加速工況下駕駛員右耳處的噪聲，結(jié)果表明附加瀝青阻尼片之后在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3600rpm附近駕駛員右耳處的噪聲聲壓總級有明顯下降，由73dB左右下降到70dB左右，優(yōu)化效果明顯，見圖10。

圖10 加阻尼片測試效果

4.2 阻尼片和動力吸振器綜合優(yōu)化方案驗證

在4.1優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，在車身右前縱梁位置懸垂安裝動力吸振器，路試結(jié)果表明通過在前左右車門、前頂棚內(nèi)鈑金部位附加瀝青阻尼片以及在車身右前縱梁位置懸垂安裝動力吸振器的綜合優(yōu)化措施，發(fā)動機轉(zhuǎn)速3600rmp附近的駕駛員右耳處的噪聲聲壓總級由73dB左右降為67dB左右，并且曲線的線性度也有明顯改善?？蛻粼囻{主觀感受和測試結(jié)果相符，完全滿足了客戶要求，見圖11。

圖11 阻尼片加動力吸振器綜合測試效果

5 結(jié)語

本文針對某汽車品牌即將上市的 CVT新車型存在的 D檔緩油門加速工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速3600rpm附近時車內(nèi)前排轟鳴噪聲明顯問題，經(jīng)過實驗測試分析，確定了該轟鳴聲的激勵源及發(fā)生耦合的模態(tài)頻率，分析了車身壁板的振動，找到了該轟鳴聲的主要傳遞路徑并設(shè)計了動力吸振器，在此基礎(chǔ)上制定了解決該轟鳴噪聲問題的綜合優(yōu)化控制措施，并通過實驗驗證了控制措施的有效性，最終使該轟鳴噪聲由 73dB左右降為67dB左右，滿足了客戶的要求。