基于排氣系統(tǒng)和車身優(yōu)化的汽車加速NVH性能提升

嚴(yán)旺，石月奎，稅永波，胡志強，席智倫，毛楠杰

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基于排氣系統(tǒng)和車身優(yōu)化的汽車加速NVH性能提升

嚴(yán)旺1，石月奎2，稅永波3，胡志強1，席智倫1，毛楠杰1

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520）

針對某SUV車型在3檔WOT工況車內(nèi)排氣噪聲及轟鳴聲的問題，分別從空氣噪聲與結(jié)構(gòu)噪聲兩方面對其排氣系統(tǒng)和車身進行了問題排查，隨后優(yōu)化了消聲器的低頻消聲能力并增強了三號吊鉤車身端局部動剛度，最后通過試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性。

排氣噪聲；轟鳴聲；排氣系統(tǒng)；吊鉤車身端；優(yōu)化

前言

伴隨著現(xiàn)代化社會品質(zhì)的提升，消費者對汽車各項性能要求日益增多且越漸嚴(yán)苛。汽車動力性、操控性或者經(jīng)濟性及其它性能提升的同時， NVH性能也受到了更多人的關(guān)注，所以提升車輛NVH性能對全面提升車型品質(zhì)和增加市場競爭力有著重要的意義[1]，同時也對當(dāng)今的環(huán)境具有友好的貢獻[2]。

本文重點針對某SUV的排氣系統(tǒng)和車身系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，消除車內(nèi)加速工況車內(nèi)轟鳴聲、降低排氣噪聲，提升NVH性能。

1 問題背景

該車輛在3檔全油門加速過程中，車內(nèi)后排乘客主觀感覺3000rpm以下排氣噪聲明顯，且發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3200rpm附近時，車內(nèi)存在嚴(yán)重轟鳴聲，對車內(nèi)聲品質(zhì)和舒適度的影響較大[3]。根據(jù)經(jīng)驗，初步懷疑該車輛在發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速區(qū)間排氣管口噪聲過大，且排氣系統(tǒng)或車身結(jié)構(gòu)在3200rpm附近存在共振點。

2 振動與噪聲摸底試驗

根據(jù)主觀聽覺判斷，排氣管口噪聲是加速工況車內(nèi)后排噪聲較高的主要噪聲源，這與排氣消聲器的消聲能力有關(guān)系。此外，3200rpm轟鳴聲暫時無法初步判定成因。

鑒于主觀感受上的排氣噪聲問題，需進行排氣系統(tǒng)的全面摸底，從結(jié)構(gòu)和聲學(xué)的角度，對其進行疑似問題分析。為了解當(dāng)前排氣系統(tǒng)相關(guān)性能的狀況，對整車加速工況振動噪聲水平進行了摸底，測試了包括車內(nèi)噪聲、排氣管口噪聲、排氣吊鉤主被動側(cè)振動加速度的多種數(shù)據(jù)。

圖2 傳感器布置示意圖

從圖3及圖4中WOT車內(nèi)噪聲可以看出車內(nèi)后排噪聲總級除3200rpm附近有峰值外，總體線性度較好。測試表明，3200rpm峰值與主觀感受相符合，主要是由于四階噪聲存在明顯峰值；3000rpm以下后排噪聲過大主要因為其二階噪聲較高，與總級噪聲差值不高于5dB，在此轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，排氣管口二階噪聲同樣較高，與總級相差僅5dB左右，導(dǎo)致總級中二階成分較高，特別是在2000rpm左右容易引起主觀不舒適[4]。上述分析表明，排氣二階噪聲對車內(nèi)二階噪聲影響較大，經(jīng)判斷，其根本問題在于消聲器100Hz以內(nèi)的消聲能力不足。

圖3 加速工況車內(nèi)后排噪聲

排氣系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的影響，一方面通過排氣噪聲的輻射；另一方面排氣系統(tǒng)振動向車內(nèi)傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲也不能忽視。

排查發(fā)現(xiàn)除三號（吊鉤按車身從前到后，從左到右的順序編號）吊鉤Y方向3000rpm附近隔振較差之外，排氣系統(tǒng)其它各個懸掛點吊耳各方向隔振率較好，均保持在20dB左右[5]。圖5為三號吊耳加速工況主被動端振動總級dB曲線（主被動之差為隔振率）。五個吊耳同樣采用45硬度橡膠，且1/2/4/5號四個吊耳均無隔振問題，因此三號吊耳被動端可能存在其它結(jié)構(gòu)性問題。圖6為車內(nèi)后排噪聲與三號吊鉤被動端加速工況對比，可以發(fā)現(xiàn)車內(nèi)后排四階噪聲峰值與三號吊鉤車身端四階振動峰值吻合。

圖5 3檔WOT工況排氣系統(tǒng)三號吊鉤主被動端加速度

圖6 加速工況后排噪聲與排氣三號吊耳被動端加速度

（紅色為噪聲總級；綠色為噪聲四階；藍(lán)色為振動總級；粉色為振動四階）

圖7 三號吊耳車身端Y向NTF及原點VTF

對車身系統(tǒng)進行排查，如圖7所示，為三號吊鉤被動端Y向車內(nèi)噪聲傳遞函數(shù)NTF及原點振動傳遞函數(shù)VTF，從測試結(jié)果可以看出，三號吊鉤被動端Y向原點動剛度僅為300N/mm左右，不滿足目標(biāo)500N/mm，車身端吊鉤動剛度不足，極易引發(fā)車內(nèi)噪聲問題[6]，該點至車內(nèi)后排NTF在211Hz附近達到70dB(Pa/N)以上，超出目標(biāo)值65dB(Pa/N)，此頻率與3200rpm四階頻率吻合。

綜上，當(dāng)前車輛加速工況車內(nèi)噪聲問題主要由兩大原因形成：

（1）消聲器低頻消聲能力不足；

（2）排氣三號吊鉤車身端動剛度不足。

3 加速工況噪聲優(yōu)化

3.1 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

消聲器傳遞損失是評價消聲器聲學(xué)性能的重要指標(biāo)[7]，這里應(yīng)用GT-power軟件建立了問題消聲器消聲器模型，且仿真分析其傳遞損失性能。

圖8 原消聲器模型

從圖9可以看出該消聲器在100Hz以下的低頻段消聲能力確實不足，也因此造成加速3000rpm以下排氣噪聲過大。因此需對該消聲器進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進。

具體改進思路為：將第3腔設(shè)計為赫姆霍茲共振腔[8]，主要針對2000rpm左右頻帶內(nèi)的2階噪聲，在第1個隔板和進氣管上穿小孔，進一步加強低頻消聲能力。

圖9 原消聲器傳遞損失

圖10 改進后的消聲器模型

圖11對比了改進前后的消聲器的傳遞損失。改進后的傳遞損失在100Hz以內(nèi)甚至250Hz以內(nèi)有較明顯的提升，尤其在66Hz處（對應(yīng)2000rpm2階頻率），改善顯著。

圖11 消聲器傳遞損失優(yōu)化前后對比

3.2 排氣吊鉤被動端動剛度提升

三號吊鉤被動端動剛度不足，主要是由于其焊接剛度不夠，如圖12所示，將其手工焊接加強后，其共振頻率移動上升到在254Hz處，動剛度達到1000N/mm，優(yōu)化效果顯著，同時其NTF曲線在該頻率處也明顯降低。

圖12 三號吊鉤被動端焊接加強

圖13 三號吊耳車身端Y向NTF及原點VTF優(yōu)化前后對比

4 試驗驗證

按照消聲器改進方案制作樣件裝車并通過手工焊接加強三號吊鉤車身端動剛度后，再次進行主觀評價和客觀測試，主觀感覺3檔WOT過程中已無明顯轟鳴聲，后排主觀感受排氣噪聲也明顯降低。

圖14 加速工況車內(nèi)后排噪聲優(yōu)化前后對比

圖14為3檔WOT的車內(nèi)后排噪聲優(yōu)化前后對比，可看出，優(yōu)化后的噪聲曲線在3200rpm附近已沒有波峰；圖15為排氣口噪聲優(yōu)化前后對比，優(yōu)化后，排氣管口二階噪聲大幅度降低。

圖15 加速工況排氣口噪聲優(yōu)化前后對比

5 結(jié)論

為提升車輛加速工況的NVH性能，通過增加赫姆霍茲共振腔和對隔板與進口管穿小孔，實現(xiàn)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了排氣管口加速工況二階噪聲，提升了車內(nèi)后排主觀感受；焊接加強了三號吊鉤車身端動剛度，以抑制排氣系統(tǒng)振動經(jīng)此往車內(nèi)的傳遞形成噪聲，從而消除了3200rpm附近車內(nèi)的轟鳴聲。車輛加速過程NVH類似NVH問題，可參考本文內(nèi)容進行排查和整改。

[1] 冷川,李軍.汽車NVH性能研究綜述[J].汽車工業(yè)研究,2017(11): 51-55.

[2] 李英強.基于模態(tài)綜合的汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].重慶大學(xué),2012.

[3] 徐宇.地鐵開通對公交的影響及公交車輛設(shè)計優(yōu)化研究[D].西安:長安大學(xué),2014.

[4] 劉志恩,趙楠楠,侯獻軍,袁守利.轎車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)改進研究[J].噪聲與振動控制,2011,31(05):45-48+70.

[5] 劉詩嘉,胡習(xí)之,李巖.排氣系統(tǒng)吊耳隔振率實驗分析[J].機械設(shè)計與制造工程,2017,46(02):96-98.

[6] 常光寶,梁靜強,呂俊成,李書陽.基于動剛度的車內(nèi)降噪研究[J].汽車零部件,2016(07):22-24.

[7] 華敏相.汽車排氣消聲器性能分析與改進[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué), 2017.

[8] 劉文文.赫姆霍茲消聲器的消聲性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

Improvement of vehicle NVH Performance under WOT condition Based onExhaust and Body System Optimization

Yan Wang1, Shi Yuekui2, Shui Yongbo3, Hu Zhiqiang1, Xi Zhilun1, Mao Nanjie1

( 1.Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 610031; 2.CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd, Tianjin 300300; 3.Chongqing Technology & Business Institute, Chongqing 401520 )

For the problem of exhaust noise and roar inside of a SUV under the 3rd gear WOT conditions, The exhaust system and body system of the vehicle were investigated Separately from the two aspects of airborn and structure noise, the noise elimination ability At low frequencies of the muffler is optimized and the IPI of the 3rd hook on body is enhanced thereby, finally the effectiveness of the optimization is verified by experiment.

exhaust noise; roar; exhaust system; hook on body; optimize

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.055

U467.4+9

A

1671-7988(2019)10-159-04

U467.4+9

A

1671-7988(2019)10-159-04

嚴(yán)旺，碩士，就讀于西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，研究方向：汽車振動與噪聲。