巴哈U30賽車振動(dòng)和噪聲特性分析

賈春路，阮劍鋒，張繼五，王蒙，李紅兵，王瑤，李占龍

摘 要：為了得到巴哈賽車振噪水平的分布情況，改善賽車的平順性和乘坐舒適性，以巴哈U30賽車為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室底盤測(cè)功機(jī)和越野路面兩種工況下對(duì)整車的振動(dòng)和噪聲特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。測(cè)試巴哈U30賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、座椅、座椅底板和車輪在X、Y、Z三個(gè)方向上的振動(dòng)加速度，并進(jìn)行時(shí)域和頻域分析;對(duì)駕駛室內(nèi)駕駛員耳旁和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)試，獲得A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。結(jié)果顯示，X、Z向振動(dòng)最為劇烈，且屬低頻振動(dòng);實(shí)驗(yàn)室模擬工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架的振動(dòng)傳遞率為17.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)到座椅的振動(dòng)傳遞率為69.3%;越野路面工況下，車輪到座椅在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)傳遞率分別為：101.2%、24.2%、133.9%;前5階模態(tài)頻率集中在4～70Hz;駕駛員耳旁噪聲為62～83dB，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為65～85dB。

關(guān)鍵詞：巴哈賽車;振動(dòng);噪聲;測(cè)試;舒適性

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-153-06

Analysis of vibration and noise characteristics of baja U30 racing car*

Jia Chunlu， Ruan Jianfeng， Zhang Jiwu， Wang Meng， Li Hongbin， Wang Yao*， Li Zhanlong

（School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Shanxi Taiyuan 030024）

Abstract： In order to obtain the distribution of the vibration and the noise level of baja racing cars， and improve the ride comfort， the vibration and the noise characteristics of the whole vehicle are studied under the two working conditions of laboratory chassis dynamometer and off-road road surface. The vibration acceleration of engine， engine frame， seat， seat bottom plate and wheel in X， Y and Z directions of baja U30 racing car are tested and analyzed in time domain and frequency domain. The sound pressure level of A weight is obtained by testing the noise of driver's ear and engine in the driving room. The results show that the vibrations in X and Z direction are the largest and belong to the low-frequency vibration. Under simulated laboratory condition， the vibration transfer rate from the engine to the engine mounting frame is 17.3%. And the vibration transfer rate from the engine to the seat is 69.3%. Under the off-road condition， the vibration transfer rate from wheel to seat in X， Y and Z directions is 101.2%， 24.2% and 133.9%， respectively. The first 5 modes are concentrated on 4～70Hz. The noise near the driver's ear is 62～83dB. The engine noise is 65～85dB.

Keywords： Baja racing; Vibration; Noise; Test; Comfort

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-153-06

前言

U30型號(hào)賽車是由太原科技大學(xué)萬里車隊(duì)按照 BSC（Baja SAE China）大賽規(guī)則自主研發(fā)與設(shè)計(jì)，在中國巴哈大賽上取得了優(yōu)異成績(jī)，但在操縱過程中仍存在較為嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲問題，對(duì)駕駛?cè)藛T影響較大。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通車輛振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了大量的研究，而對(duì)巴哈賽車的振動(dòng)和噪聲特性研究較少。唐卓開展了懸架座椅系統(tǒng)振動(dòng)控制和整車振動(dòng)分析的研究，并建立懸架座椅的結(jié)構(gòu)模型、提出懸架座椅系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)與目標(biāo)函數(shù)、利用仿真軟件AMESim建立了整車仿真模型仿等掌握整車的振動(dòng)特性[1]。楊家友等對(duì)某MPV樣車進(jìn)行整車NVH測(cè)試，通過傳遞路徑分析的方法，發(fā)現(xiàn)該工況下，車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）在發(fā)動(dòng)機(jī)第4階頻率處振動(dòng)異常是怠速工況下空調(diào)開啟時(shí)的車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動(dòng)不滿足設(shè)計(jì)要求的主要原因[2]。馬龍等針對(duì)某型新能源車用兩擋變速箱的振動(dòng)噪聲問題，通過NVH試驗(yàn)、理論計(jì)算、仿真分析相結(jié)合的方法分析引起振動(dòng)噪聲的根源[3]。Aziz S A A等采用測(cè)試分析的方法來研究3噸重貨車在行駛過程中振動(dòng)和噪聲對(duì)駕駛員的影響，得到振動(dòng)和噪聲壓力水平隨著重貨車速度的增加而成比例增加[4]。李振遠(yuǎn)等利用有限元法對(duì)客車進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)對(duì)客車振動(dòng)的影響。建立客車有限元模型、諧波響應(yīng)分析，分別考慮發(fā)動(dòng)機(jī)垂向和橫向激勵(lì)2種工況，研究發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的簡(jiǎn)諧力引起的車身位移響應(yīng)問題[5]。

本文通過研究巴哈U30賽車的振動(dòng)和噪聲特性，為后期改善巴哈賽車駕駛平順性及舒適性提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)

以巴哈U30賽車為試驗(yàn)對(duì)象，該車型主要應(yīng)用于泥坑、飛坡、連續(xù)彎道、駝峰等惡劣路況的比賽，賽規(guī)要求車身必須由直或彎的鋼管組成，兩個(gè)支撐點(diǎn)之間的鋼管不能超過711mm。

1.2 試驗(yàn)儀器

主要測(cè)試儀器見表1。

表1 ?試驗(yàn)儀器列表

1.3 試驗(yàn)工況

巴哈賽車的振動(dòng)主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和路面的高低不平引起的激振等。因此試驗(yàn)工況包括實(shí)驗(yàn)室模擬工況和越野道路兩大工況。實(shí)驗(yàn)室模擬工況在測(cè)功機(jī)上模擬賽車行駛阻力，依此調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;越野路工況選擇泥土路路面，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制為1700r/min。試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 ?試驗(yàn)工況

1.4 傳感器安裝位置和方向

為方便表述，在車身建立廣義坐標(biāo)系，坐標(biāo)系方向與ISO2631（以駕駛員為基準(zhǔn)的坐標(biāo)軸）的規(guī)定方向一致。基于巴哈U30賽車車身結(jié)構(gòu)，確定加速度傳感器的安放位置，如表3所示。噪聲傳感器放置于駕駛員耳旁和發(fā)動(dòng)機(jī)附近，分別測(cè)試駕駛員耳旁和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。為減小環(huán)境中存在的與測(cè)試無關(guān)的背景噪聲，選擇背景噪聲較小的環(huán)境測(cè)試噪聲[6]，本次噪聲測(cè)試選擇在晚上十點(diǎn)后，在沒有行人的寬廣場(chǎng)地上進(jìn)行。

表3 ?傳感器安裝位置和方向

1.5 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)采用簡(jiǎn)潔性和連續(xù)性原則，采用以下試驗(yàn)步驟：

（1）安裝傳感器，所測(cè)位置與傳感器不產(chǎn)生相對(duì)活動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）測(cè)功機(jī)上調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，依次測(cè)試1700r/min、2000r/ min、2300r/min、2600r/min轉(zhuǎn)速下各位置振動(dòng)，每組測(cè)試時(shí)間75s。

（3）選擇泥土路面開啟U30賽車，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1700r/ min，持續(xù)30s。

（4）選擇沒有行人的寬廣場(chǎng)地，依次測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)附近和駕駛員耳旁噪聲。

以上試驗(yàn)過程采樣頻率為512Hz，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析。

2 分析與討論

本文主要從時(shí)域、頻域和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)來分析巴哈U30賽車振動(dòng)和噪聲特性。

2.1 時(shí)域分析

由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)存在環(huán)境噪聲等干擾源，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，選取測(cè)試位置在各工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間段的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室模擬工況

實(shí)驗(yàn)室模擬工況下，對(duì)比測(cè)試位置在X、Y、Z方向時(shí)域曲線，選取發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅在Z向和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架、座椅底板X向在1700r/min、2000r/min、2300r/min、2600r/min轉(zhuǎn)速下振動(dòng)時(shí)域圖，如圖1所示。

a.發(fā)動(dòng)機(jī)Z向

b.發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架X向

c.座椅底板X向

d.座椅Z向

圖1 ?實(shí)驗(yàn)室模擬工況不同位置振動(dòng)時(shí)域圖

分析計(jì)算實(shí)驗(yàn)室模擬工況振動(dòng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)相關(guān)振動(dòng)特性參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架、座椅底板和座椅X、Y、Z方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4、5、6、7。

由同一轉(zhuǎn)速下三個(gè)方向振動(dòng)加速度的均方根值可知，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)在X、Z向最大;隨著轉(zhuǎn)速增加，振動(dòng)加速度呈先增后減趨勢(shì)，在2300r/min時(shí)最大，振動(dòng)最為劇烈，此時(shí)X、Z向振動(dòng)加速度的均方根值分別為8.8692和13.1770。

表4 ?發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性參數(shù)

表5 ?發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架振動(dòng)特性參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架振動(dòng)在X和Z向最大;隨著轉(zhuǎn)速增加，振動(dòng)加速度呈增加趨勢(shì)，振動(dòng)逐漸激烈，在2300r/min和2600r/min振動(dòng)最為劇烈。

表6 ?座椅底板振動(dòng)特性參數(shù)

由同一轉(zhuǎn)速下三個(gè)方向振動(dòng)加速度的均方根值可知，座椅底板振動(dòng)在X向最大;隨著轉(zhuǎn)速增加，振動(dòng)加速度呈先增后減趨勢(shì)，在2300r/min時(shí)最大，振動(dòng)最為劇烈，X向振動(dòng)加速度的均方根值為9.6747。

表7 ?座椅振動(dòng)特性參數(shù)

同一轉(zhuǎn)速三個(gè)方向振動(dòng)特性參數(shù)顯示座椅振動(dòng)主要是Z向振動(dòng);隨著轉(zhuǎn)速增加，振動(dòng)加速度呈先增后減趨勢(shì)，在2300r/min時(shí)最大，振動(dòng)最為劇烈，Z向振動(dòng)加速度的均方根值為9.1295。

實(shí)驗(yàn)室模擬工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架主要為X和Z向振動(dòng)，座椅底板主要為X向振動(dòng)，座椅振動(dòng)主要在Z方向;轉(zhuǎn)速的增加各位置的振動(dòng)波形呈先增后減趨勢(shì)，在2300r/min時(shí)最大，振動(dòng)亦最為激烈;2300r/min時(shí)，X向振動(dòng)傳遞率：發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架為38.2%，發(fā)動(dòng)機(jī)到座椅底板為109.1%，Z向傳遞率：發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架為17.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)到座椅為69.3%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象，是由巴哈賽車車身管狀結(jié)構(gòu)和座椅底板薄板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。

2.1.2 越野路工況

越野道路工況，截取發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅、左右后輪和左右前輪穩(wěn)定在1700r/min轉(zhuǎn)速下各個(gè)方向的振動(dòng)時(shí)域圖，如圖2所示。

圖2 ?越野道路工況不同位置振動(dòng)時(shí)域圖

對(duì)越野道路工況振動(dòng)信號(hào)分析計(jì)算，統(tǒng)計(jì)相關(guān)振動(dòng)特性參數(shù)，見表8。

表8 ?巴哈U30泥土路行駛時(shí)振動(dòng)特性參數(shù)

巴哈U30賽車在越野道路工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)安放機(jī)架、座椅、座椅底板的振動(dòng)在X、Z向最大，振動(dòng)最劇烈;左右后輪和左右前輪在三個(gè)方向的振動(dòng)波動(dòng)不明顯，主要來自路面激勵(lì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)到座椅在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)傳遞率分別為：19.1%、23.6%、46.4%;計(jì)算右后輪到座椅在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)傳遞率分別為：101.2%、24.2%、133.9%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)整車對(duì)路面激勵(lì)的隔振效果不明顯。

2.2 頻域分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室模擬工況

實(shí)驗(yàn)室模擬工況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架，座椅，座椅底板在1700r/min、2000r/min、2300r/min、2600r/min轉(zhuǎn)速下各方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，統(tǒng)計(jì)頻譜圖前5階振動(dòng)特征頻率，如表9、10、11、12所示。

表9 ?測(cè)功機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)前5階特征頻率統(tǒng)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)在各方向上1階特征頻率范圍為4～20Hz之間，2階特征頻率范圍為8～30Hz，前5階特征頻率范圍為4～70Hz。

表10 ?測(cè)功機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)底板前5階特征頻率統(tǒng)計(jì)

表11 ?測(cè)功機(jī)上座椅前5階特征頻率統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)底板在各方向上的前5階振動(dòng)特征頻率。在各方向上1階特征頻率范圍為4～7Hz，2階特征頻率范圍為7～15Hz，前5階特征頻率范圍為4～45Hz。

座椅各方向上的1階振動(dòng)特征頻率受到轉(zhuǎn)速的影響較大，各方向的振動(dòng)頻率隨著轉(zhuǎn)速的增加而變大。

表12 ?測(cè)功機(jī)上座椅底板前5階特征頻率統(tǒng)計(jì)

由表12可以得到座椅底板在各轉(zhuǎn)速下的各個(gè)方向上的振動(dòng)特征頻率。座椅底板的1階特征頻率較大，而且受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響也較大，其前5階振動(dòng)特征頻率范圍為4～70Hz。

2.2.2 越野道路工況

越野道路工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅、左右后輪和左右前輪在各方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)頻域分析，統(tǒng)計(jì)頻譜圖前5階振動(dòng)特征頻率，如表13所示。

表13 ?泥土路上前5階特征頻率統(tǒng)計(jì)

越野工況下發(fā)動(dòng)機(jī)處相較于其他測(cè)試點(diǎn)的特征頻率較高，一階振動(dòng)特征頻率為29Hz，前5階振動(dòng)特征頻率范圍為29～65Hz;座椅和車輪處的一階振動(dòng)特征頻率范圍為5～15Hz，前5階振動(dòng)特征頻率范圍為5～60Hz，屬于低頻振型。另外，就座椅而言，Y和Z向的一階振動(dòng)特征頻率為5Hz，包含在人體敏感頻率段4～8Hz之間，對(duì)駕駛?cè)藛T舒適性產(chǎn)生較大影響。

2.3 噪聲分析

測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1700r/min、2000r/min、2300r/min、2600r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)附近噪聲和駕駛員耳旁噪聲，處理聲壓信號(hào)，獲得A計(jì)權(quán)聲壓信號(hào)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表14。

表14 ?發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛員耳旁噪聲值

噪聲統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，噪聲由65dB逐漸增高到85dB，且駕駛室內(nèi)駕駛員耳旁噪聲略小于發(fā)動(dòng)機(jī)處噪聲，長期處于該環(huán)境下，會(huì)對(duì)人的聽力造成損傷。

3 結(jié)論

本文對(duì)U30賽車振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）巴哈U30賽車行駛時(shí)X、Z向的振動(dòng)最劇烈，主要的振源為發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)。

（2）實(shí)驗(yàn)室模擬工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架的振動(dòng)傳遞率為17.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)到座椅的振動(dòng)傳遞率為69.3%。上述現(xiàn)象是由巴哈賽車自身的車身結(jié)構(gòu)決定的，車身管狀結(jié)構(gòu)和座椅底板薄板結(jié)構(gòu)具有較大彎曲剛度，因此整車的振動(dòng)特性相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致整車的振動(dòng)在傳遞過程中存在放大現(xiàn)象。

改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)或選擇合適的材料可有效減小車身振動(dòng)。

（3）越野道路工況下，車輪到座椅在X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)傳遞率分別為：101.2%、24.2%、133.9%。振動(dòng)傳遞率較大，即該車對(duì)路面激勵(lì)的隔振效果不明顯，采用新型隔振器或?qū)Ω粽衿鞯难b配角度做出調(diào)整，可改善賽車的乘坐舒適性。

（4）前5階模態(tài)頻率集中在4～70Hz，屬于低頻輕載振型，且包含在人體敏感頻率段4～8Hz之間，對(duì)駕駛?cè)藛T舒適性產(chǎn)生較大影響。

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)旁噪聲為65～85dB，駕駛員耳旁噪聲為62～83dB，隔音效果較差。

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