某SUV車型機(jī)艙內(nèi)異響診斷

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

1 問題提出

隨著人們對汽車品質(zhì)要求的日益提升，尤其是對車內(nèi)異響問題關(guān)注程度較高，在各個汽車質(zhì)量投訴網(wǎng)站中，異響問題始終是一類重要的投訴類型。不論是使用中還是開發(fā)過程中的車輛，異響問題都需要快速準(zhǔn)確的解決。根據(jù)大致的統(tǒng)計，一輛汽車大概有20 000～30 000個零件，可以產(chǎn)生異響的零件非常多，這給異響問題的診斷帶來很大的困難。因此根據(jù)異響的實(shí)車表現(xiàn)制定合理的異響排查方案，快速精準(zhǔn)的鎖定異響部件，一直是汽車企業(yè)非常關(guān)注的問題。

在實(shí)際工作中，異響診斷常用的方法大致有4類，具體應(yīng)用時可以根據(jù)不同方法的優(yōu)勢進(jìn)行組合，最終鎖定異響源。

1.1 異響主觀評價

通過排查人員主觀感受，或借助聽診器搜尋異響源，并結(jié)合異響出現(xiàn)的工況，屏蔽某些部件等方式對異響源進(jìn)行分析，可以有效縮小異響排查部件的范圍，對于一些簡單異響問題可以直接查到異響源。

1.1.1 異響噪聲信號分析

錄制異響噪聲信號，根據(jù)異響特點(diǎn)，進(jìn)行時域、頻域、時頻或心理聲學(xué)參數(shù)分析，通過某個合適的表達(dá)方法，突出異響噪聲信號的特征，然后結(jié)合懷疑部件的工作特點(diǎn)找出異響源。

1.1.2 部件的振動噪聲測試

測試可疑部件的振動噪聲信號，與異響噪聲信號進(jìn)行直觀的特征對比或相關(guān)性分析，找出特征最吻合的部件來確定異響源。需要注意的是，當(dāng)多個部件都具備異響特征時，其中質(zhì)量和慣量較小的部件是否為異響源要謹(jǐn)慎判斷。

1.1.3 可視化聲源識別技術(shù)

利用麥克風(fēng)陣列測試一個或者若干個噪聲輻射表面，通過特定的重構(gòu)算法來重建聲場，重建后的聲場模型可以直觀顯示異響源所處位置。目前有多個專業(yè)廠家利用可視化聲源識別技術(shù)開發(fā)出不同聲學(xué)照相機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用。

本文針對某款SUV車型開發(fā)過程中遇到的機(jī)艙內(nèi)異響問題，通過分析，縮小異響源部件范圍，制定合理的異響診斷方案，快速準(zhǔn)確的鎖定異響源，并查找出異響部件發(fā)出異響的原因，為零部件工程師提供解決異響的改進(jìn)方向。

2 異響主觀評價與排查方案

2.1 異響表現(xiàn)的主觀評價

在某款SUV開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)車輛運(yùn)行過程中從機(jī)艙內(nèi)傳出節(jié)奏性敲擊異響，異響主觀感受表現(xiàn)為寬頻噪聲，敲擊頻次隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升變得愈加密集，對異響表現(xiàn)進(jìn)行全面主觀評價后，將主觀評價的結(jié)果匯總于表1。

表1 異響主觀評價結(jié)果匯總

通過主觀評價結(jié)果的信息匯總，可以初步定義抱怨異響來自發(fā)動機(jī)總成，是一種與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的周期性寬頻噪聲異響，噪聲傳遞方式以結(jié)構(gòu)傳遞為主。

2.2 異響診斷工具的選擇

考慮到發(fā)動機(jī)總成上可以產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)周期性噪聲的部件數(shù)量較多，所以本案例異響診斷的關(guān)鍵任務(wù)是查找到周期性異響變化頻次與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，以進(jìn)一步縮小異響源排查范圍。

對于周期性異響的變化頻次分析，小波分析是十分有效的技術(shù)手段[1-3]，而對異響噪聲進(jìn)行小波分析則需要先明確異響噪聲的頻率成分。為了完成這兩項(xiàng)工作，在排查過程中使用工程軟件LMS TEST.LAB進(jìn)行相應(yīng)的分析工作，該工程軟件中的Sound Diagnosis模塊可以方便的對異響噪聲信號進(jìn)行濾波回放來確定異響頻率成分，并通過頻率截取及傅里葉逆變重新生成關(guān)注頻帶的噪聲信號，而該工程軟件中的Time Frequency Analysis模塊內(nèi)包含的Wavelet Transform工具則可以快速進(jìn)行異響噪聲信號的小波分析[3]。

2.3 制定異響排查方案

根據(jù)2.1節(jié)與2.2節(jié)的準(zhǔn)備工作，制定異響排查方案，如圖1所示。

圖1 異響排查方案流程圖

3 異響噪聲測試和異響特征分析

3.1 異響噪聲測試

挑選異響抱怨突出的車輛進(jìn)行異響的車內(nèi)噪聲測試，測試車輛技術(shù)參數(shù)如表2所示。噪聲測試系統(tǒng)如表3所示。

為了去除傳動系統(tǒng)噪聲、路面噪聲及風(fēng)噪對異響測試的影響，測試工況設(shè)定為空檔、定置、定轉(zhuǎn)速，同時為了重復(fù)確定異響發(fā)生頻次與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，選取2個異響表現(xiàn)突出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試。根據(jù)實(shí)車表現(xiàn)，挑選定置1 500 r/min和2 000 r/min兩個轉(zhuǎn)速測試車內(nèi)主駕耳旁的噪聲數(shù)據(jù)。

表2 測試車輛主要參數(shù)

表3 測試環(huán)境和設(shè)備清單

3.2 異響噪聲成分診斷

利用LMS TEST.LAB工程軟件的Sound Diagnosis模塊對原始噪聲信號進(jìn)行濾波回放，診斷結(jié)果顯示周期性異響的頻率集中在500～1 000 Hz。

截取原噪聲信號中的500～1 000 Hz噪聲成分進(jìn)行傅里葉逆變形成新的異響噪聲信號，發(fā)現(xiàn)與原始噪聲信號相比，異響噪聲信號的聲壓幅值遠(yuǎn)低于原始噪聲信號的聲壓幅值，為了避免發(fā)動機(jī)其他噪聲成分對異響噪聲分析產(chǎn)生干擾，保留異響噪聲占主要貢獻(xiàn)的500～1 000 Hz噪聲信號，進(jìn)一步進(jìn)行小波分析以確定異響發(fā)生頻次(圖2)。

圖2 轉(zhuǎn)速1 500 r/min時車內(nèi)異響原始信號

圖3 轉(zhuǎn)速1 500 r/min時車內(nèi)異響濾波(500～1 000 Hz)信號

圖4 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時車內(nèi)異響原始信號

圖5 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時車內(nèi)異響濾波(500～1 000 Hz)信號

3.3 異響發(fā)生頻次計算

利用LMS TEST.LAB工程軟件的Wavelet Transform工具對圖3、圖4和圖5所選取的異響噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換。調(diào)整數(shù)據(jù)處理時的頻率和時間軸設(shè)置，當(dāng)各頻帶內(nèi)小波數(shù)設(shè)置為12，時間采樣比率設(shè)置為1時，異響發(fā)生頻次在云圖中可以比較清晰的顯示出來，如圖6和圖7所示。

圖6 1 500 r/min時車內(nèi)異響的小波變換

圖7 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時車內(nèi)異響的小波變換

經(jīng)過頻次計算發(fā)現(xiàn)異響發(fā)生頻次是發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻的0.5階次：

(1) 在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻為25 Hz；

(2) 在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，異響發(fā)生的平均時間間隔為0.08 s，此時異響的發(fā)生頻次為12.5 Hz，即異響發(fā)生頻次為發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻的0.5階，如圖6所示；

(3) 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻為33.3 Hz；

(4) 在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，異響發(fā)生的平均時間間隔為0.06 s，此時異響的發(fā)生頻次為16.67 Hz，即異響發(fā)生頻次亦為發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻的0.5階，如圖7所示。

4 異響部件排查和異響原因

4.1 與異響頻次周期相同的運(yùn)動部件

根據(jù)發(fā)動機(jī)的技術(shù)參數(shù)，羅列發(fā)動機(jī)總成上所有可以產(chǎn)生周期性噪聲的旋轉(zhuǎn)/往復(fù)運(yùn)動的部件清單，調(diào)查各個運(yùn)動部件與發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻的階次關(guān)系。經(jīng)過階次關(guān)系對比，有1個零部件的主階次激勵為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的0.5階，另有4個主激勵2階的部件，當(dāng)受到軸系彎扭影響時會發(fā)出伴生的0.5階次要激勵，如表4所示，通過階次清單對比，在發(fā)動機(jī)總成上進(jìn)一步縮小了異響源的范圍。

表4 發(fā)動機(jī)產(chǎn)生周期性噪聲部件的階次清單

4.2 異響部件進(jìn)一步排查和異響原因

在表4中所羅列的5個懷疑異響部件中，制動真空機(jī)械泵在發(fā)動機(jī)臺架上是不工作的，而其余4個懷疑異響源，無論是在發(fā)動機(jī)臺架還是在整車條件下都是存在的，因此可以根據(jù)發(fā)動機(jī)臺架上5種可產(chǎn)生0.5階頻次噪聲部件與實(shí)車表現(xiàn)是否有差異來進(jìn)行排查。首先對機(jī)械真空泵異響進(jìn)行排查。臺架與整車異響對比的邏輯關(guān)系如圖8所示。

圖8 異響源在臺架和整車上的排除方法

經(jīng)過發(fā)動機(jī)臺架的實(shí)際檢查，發(fā)動機(jī)臺架上并沒有整車上出現(xiàn)的0.5階頻次的寬頻噪聲，根據(jù)圖8的排查方法，可以初步推斷產(chǎn)生異響的部件是真空機(jī)械泵，如圖9所示。

圖9 制動真空機(jī)械泵照片

為了直接確認(rèn)產(chǎn)生異響的部件，在整車上將圖9所示部件拆下，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)外均聽不到周期性寬頻噪聲，所以最終鎖定產(chǎn)生異響的部件是制動真空機(jī)械泵。

通過拆解真空機(jī)械泵，如圖10所示?？梢郧宄乜吹皆撜婵諜C(jī)械泵葉片為單葉滑動葉片，葉片頂端與泵體內(nèi)表面有明顯的間隙，滑動葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到偏心力作用，每旋轉(zhuǎn)一圈葉片頂端會撞擊一次泵體內(nèi)表面，而該機(jī)械泵由發(fā)動機(jī)凸輪軸按照1:1速比直接驅(qū)動，因此葉片頂端撞擊泵體會發(fā)出與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速0.5階頻次相關(guān)的寬頻撞擊噪聲。

圖10 制動真空機(jī)械泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片

5 異響優(yōu)化措施的建議和驗(yàn)證

通過前文所述的主觀評價情況匯總分析的結(jié)論可知，異響是以結(jié)構(gòu)傳遞形式傳至車內(nèi)形成噪聲，因此在優(yōu)化措施上優(yōu)先考慮傳遞路徑的結(jié)構(gòu)聲阻隔。

圖11 3個真空管固定點(diǎn)斷開對比圖

經(jīng)過調(diào)查，該SUV的制動真空管共有3個固定點(diǎn)與前圍板鈑金相連，固定方式是硬質(zhì)卡扣卡接。為了評估真空管通過安裝卡扣向車內(nèi)傳遞周期性異響的影響，臨時將真空管與前圍板鈑金的3個硬質(zhì)卡接點(diǎn)斷開，如圖11所示。真空管與車身連接點(diǎn)斷開后，車內(nèi)的周期性寬頻噪聲消失，機(jī)械泵在車內(nèi)無主觀噪聲。

根據(jù)結(jié)構(gòu)路徑解耦的異響效果評估，同時考慮到此款SUV的制動真空機(jī)械泵在其他很多車型上的應(yīng)用，推動供應(yīng)商降低機(jī)械泵本身噪聲難度較大，最終決定的改進(jìn)方案為阻隔真空管的結(jié)構(gòu)聲向車身傳遞，將原車的硬質(zhì)固定卡扣設(shè)計變更為帶隔振功能的固定支架，如圖12所示。

圖12 2種連接點(diǎn)固定方式

6 結(jié)論

汽車可以產(chǎn)生異響的部件很多，在進(jìn)行異響源診斷時，可以采用多種異響診斷工具相結(jié)合的方式，首先通過完整的主觀評價以及不同工況、不同場合下的異響表現(xiàn)，對異響源進(jìn)行合理的推測，來縮小異響源排查范圍，根據(jù)主觀評價結(jié)果補(bǔ)充必要的異響信號測試和分析，并根據(jù)異響可能產(chǎn)生部件的工作特點(diǎn)進(jìn)行對比來鎖定異響源。

本研究使用主觀評價和異響信號分析相結(jié)合的方法，輔助臺架與整車異響表現(xiàn)的邏輯關(guān)系和路徑解耦手段鎖定異響源為凸輪軸直接驅(qū)動的制動真空機(jī)械泵，并根據(jù)噪聲傳遞路徑的主觀評價和路徑解耦效果，提出合理的異響解決方案。