車(chē)輛加速異響及轟鳴聲診斷與優(yōu)化

陳祝健，邱群虎，黃靈河，謝小洋，黃杰巧

（1.中汽研（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司，天津300300；2.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，廣西 柳州545000）

作為評(píng)價(jià)汽車(chē)性能的一個(gè)重要指標(biāo)之一，NVH性能早已成為消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的話(huà)題。隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的舒適性要求也越來(lái)越高。因此，提升汽車(chē)NVH性能是企業(yè)提高汽車(chē)品牌形象和市場(chǎng)銷(xiāo)量的重要手段之一[1-3]。汽車(chē)異響和轟鳴音是影響汽車(chē)NVH 性能的最重要因素，也是汽車(chē)研發(fā)階段最常見(jiàn)的問(wèn)題，因此快速解決異響和轟鳴音對(duì)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要意義[4-6]。

文中基于振動(dòng)噪聲理論[7-8]，運(yùn)用濾波分析法、小波變換技術(shù)和仿真手段對(duì)某SUV車(chē)型1檔、2檔及3檔小油門(mén)加速工況、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)出現(xiàn)的guagua 異響問(wèn)題進(jìn)行診斷分析，確定異響產(chǎn)生的根源，同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)2階轟鳴的根源與產(chǎn)生異響的根源相同。最后制定改進(jìn)措施并制作樣件。經(jīng)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，該優(yōu)化方案可有效解決異響和轟鳴聲問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析方法與診斷過(guò)程

1.1 小波變換分析

在進(jìn)行瞬態(tài)問(wèn)題數(shù)據(jù)分析時(shí)，有時(shí)需特別關(guān)心信號(hào)在局部范圍內(nèi)的時(shí)域特征，如異響是在什么時(shí)間發(fā)生的，這種分析對(duì)時(shí)域分辨率要求很高，對(duì)頻域分辨率要求低。而傅里葉變換不具備精確的時(shí)間局部化分析能力，不能有效分析局部信號(hào)。短時(shí)傅里葉變換也不能敏感地反應(yīng)信號(hào)的突變，因此也不能很好地刻畫(huà)突變的信息。小波變換具備很好的時(shí)間局部性和變化的時(shí)頻分辨率，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析，從而滿(mǎn)足了很多非平穩(wěn)信號(hào)需要多分辨率的時(shí)頻局部化分析要求。因此小波分析方法成為了目前發(fā)展最為迅速的時(shí)頻分析方法。文中運(yùn)用LMS Test.Lab 軟件的Time Frequency Analysis 模塊對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻處理分析，快速識(shí)別出問(wèn)題時(shí)頻和頻域特征，從而快速精準(zhǔn)地找出異響產(chǎn)生的根源[9-10]。

1.2 濾波回放分析

LMS Test.Lab 軟件有自帶的音頻回放濾波器，利用濾波器的這種選頻作用可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。文中利用LMS 帶通濾波器進(jìn)行音頻回放對(duì)比分析，能快速識(shí)別異響頻段，從而準(zhǔn)確地確認(rèn)異響的頻率范圍。

1.3 主觀評(píng)價(jià)

抽取3臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，均發(fā)現(xiàn)1檔、2檔和3 檔小油門(mén)加速工況、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 至3 300 r/min 時(shí)車(chē)內(nèi)前排出現(xiàn)異響（guagua 顫音），并且存在轟鳴音。初步判斷，該異響來(lái)自?xún)x表臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙。

1.4 測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

為精確確認(rèn)異響的頻率成分及出現(xiàn)位置，采用采用LMS Test. Lab 測(cè)試系統(tǒng)中Signature Testing-Advanced 模塊，對(duì)異響最明顯的試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行振動(dòng)和噪聲測(cè)試。該試驗(yàn)車(chē)搭載1.8T 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，車(chē)輛半載，試驗(yàn)路面為平滑的瀝青路面。試驗(yàn)工況：1擋、2 擋、3 擋POT（部分油門(mén)開(kāi)度）在3 000 r/min～3 500 r/min 范圍反復(fù)多次加減速及3 擋WOT（全油門(mén)加速）。麥克風(fēng)布置在駕駛員右耳、儀表臺(tái)上方、發(fā)動(dòng)機(jī)與前圍之間、排氣歧管及水管附近。在懸置、發(fā)動(dòng)機(jī)水管、排氣吊鉤、進(jìn)氣管路上布置PCB 三向振動(dòng)傳感器。

采用小波變換技術(shù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻域和帶通濾波音頻回放對(duì)比分析，確認(rèn)異響頻率成分為0.5 kHz～1.5 kHz，濾除該頻率成分后，異響消失。同步分析其它噪聲測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水管（為金屬管，一端連接發(fā)動(dòng)機(jī)水室，一端連接水泵）近場(chǎng)及機(jī)艙近場(chǎng)噪聲測(cè)點(diǎn)中存在該異響頻率成分，確認(rèn)該異響來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)本體。對(duì)比分析振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)水泵連接的水管振動(dòng)與駕駛員右耳測(cè)點(diǎn)異響頻帶一致，而其他測(cè)點(diǎn)（懸置、排氣歧管支架、排氣吊鉤、進(jìn)氣管路）中，僅排氣歧管支架存在600 Hz成分（后確認(rèn)為該支架模態(tài)），但振幅相對(duì)較小。綜上，初步認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)水管為異響源的可能性最大。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖1所示。

1.5 水泵連接水管改制驗(yàn)證

分析發(fā)動(dòng)機(jī)水管3擋WOT工況時(shí)的振動(dòng)發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為2 800 r/min～3 100 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)2階Y、Z向均存在振動(dòng)峰值，振幅最大2.07 g。初步推斷為該連接水管受發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生共振，為進(jìn)一步確認(rèn)問(wèn)題根源，通過(guò)增加質(zhì)量塊改變水管模態(tài)、抑制振幅的方法進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2所示。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水管加質(zhì)量塊的試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)：

(1)主觀評(píng)價(jià)異響出現(xiàn)頻次降低，原狀態(tài)每次加速均能出現(xiàn)異響，改制后，僅3擋POT工況偶爾出現(xiàn)輕微異響。

(2)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水管振動(dòng)和駕駛右耳噪聲進(jìn)行時(shí)頻域?qū)Ρ确治觯?jīng)改制后水管振動(dòng)及駕駛員右耳噪聲中異響頻率成分幅值下降，如圖3、圖4和圖5所示。

(3)在3 檔全油門(mén)加速工況時(shí)，增加質(zhì)量塊后，駕駛右耳3 028 r/min 2 階噪聲峰值下降4 dB（A），轟鳴聲消除。對(duì)應(yīng)水管X向2 階3 028 r/min 振動(dòng)峰值由1.21 g 下降至0.88 g，Z向2 階2 840 r/min 振幅峰值由2.1 g下降至0.2 g，但在2 325 r/min出現(xiàn)振幅為1.31 g的峰值，并引起駕駛員右耳對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速2階噪聲峰值由53.3 dB（A）上升至59 dB（A）?？梢?jiàn)，增加質(zhì)量塊后，水管振幅下降，模態(tài)頻率降低，如圖6所示。

1.6 發(fā)動(dòng)機(jī)水管安裝結(jié)構(gòu)分析

圖1 車(chē)內(nèi)及機(jī)艙近場(chǎng)噪聲、水管振動(dòng)時(shí)頻域?qū)Ρ?/p>

圖2 連接水管上增加約0.8 kg質(zhì)量塊

圖3 水管Z向振動(dòng)

圖4 水管振動(dòng)Z向時(shí)頻域曲線(xiàn)

圖5 駕駛員右耳時(shí)頻域曲線(xiàn)

圖6 駕駛員右耳聲壓級(jí)與水管振動(dòng)對(duì)比

結(jié)構(gòu)件振動(dòng)產(chǎn)生異響，通常為振動(dòng)位移較大，并與相鄰件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉發(fā)出噪聲[11-12]。分析水管的結(jié)構(gòu)及與對(duì)手件裝配狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，該水管靠近水泵端的鈑金支架與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體通過(guò)螺栓連接，兩端與發(fā)動(dòng)機(jī)水室、水泵連接口對(duì)接后通過(guò)橡膠密封圈進(jìn)行密封，可理解為水管兩端為彈性約束，因此，當(dāng)水管振動(dòng)位移較大時(shí)，水管兩端存在與水室、水泵連接口接觸并產(chǎn)生噪聲的可能。另外，水泵連接水管與發(fā)動(dòng)機(jī)是彈性連接，中間僅一個(gè)支架固定，此類(lèi)結(jié)構(gòu)整體剛度較低，容易在發(fā)動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)速范圍引起共振，如圖7所示。

圖7 水管安裝方式

此外，該水管及發(fā)動(dòng)機(jī)水室出水口通過(guò)橡膠軟管與前圍空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)連接，為主要的振動(dòng)傳遞路徑。

1.7 初步結(jié)論

綜上，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)與測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確認(rèn)異響和3 000 r/min 2階轟鳴音均為水泵連接水管共振所致。并且，通過(guò)拆卸發(fā)現(xiàn)，水管接頭與水室接口存在明顯磨痕，如圖8所示，進(jìn)一步確認(rèn)了該水管在發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)下產(chǎn)生共振時(shí)與水室接口存在接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生異響。

圖8 水管與水室接口

2 水管結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與優(yōu)化

在確認(rèn)水泵連接水管為該異響主要原因后，建立水管CAE分析模型，結(jié)合模態(tài)測(cè)試結(jié)果對(duì)水管的CAE模型進(jìn)行修正，開(kāi)展模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 水管實(shí)測(cè)模態(tài)

因?qū)嵻?chē)狀態(tài)下空間狹小，無(wú)法開(kāi)展整車(chē)狀態(tài)下水管的模態(tài)測(cè)試，因此選擇在拆卸后的發(fā)動(dòng)機(jī)上完成該項(xiàng)測(cè)試。模態(tài)測(cè)試采用LMS Test. Lab 測(cè)試系統(tǒng)中Impact Testing 模塊進(jìn)行信號(hào)采集，用力錘進(jìn)行激勵(lì)。傳感器布置在水管上并獲取水管特性，運(yùn)用移動(dòng)力錘法進(jìn)行測(cè)量，如圖9所示。

圖9 水管模態(tài)試布點(diǎn)位置

在發(fā)動(dòng)機(jī)拆卸、水管無(wú)冷卻水狀態(tài)下水管1 階約束模態(tài)為176 Hz，陣型表現(xiàn)為Z向跳動(dòng)，測(cè)試結(jié)果如圖10和11 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)水管是注滿(mǎn)水狀態(tài)，水溫高達(dá)90°C 以上，兩端密封橡膠圈的剛度也會(huì)下降。因此，考慮水的重量及溫度影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)水管模態(tài)將低于176 Hz。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)附屬件的約束模態(tài)設(shè)計(jì)要求，必須高于發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速（最高6 000 r/min）范圍內(nèi)的2 階激勵(lì)頻率（200 Hz），并考慮15%的頻率間隔，因此，必須通過(guò)優(yōu)化，使水管約束模態(tài)提升至230 Hz以上。

2.2 水管有限元仿真分析

在既有CAD模型上采用有限元方法，建立水管有限元仿真模型，其中薄板件構(gòu)件采用殼單元，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為4 mm，水管接頭密封圈彈性連接使用彈性單元模擬，水管與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的固定支架采用剛性連接約束，仿真模型如圖12所示。運(yùn)行工況下，水管內(nèi)水加載采用非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模擬。

圖10 水管頻響測(cè)試結(jié)果

圖11 水管模態(tài)測(cè)試結(jié)果

圖12 水管CAE模型

由于密封圈的剛度未能測(cè)試，本案中通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)模態(tài)，修正彈性單元（CBUSH)參數(shù)使模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)一致，以確保模型能夠準(zhǔn)確模擬水管安裝約束狀態(tài)。經(jīng)調(diào)試，模型約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 未考慮水質(zhì)量全約束狀態(tài)

未考慮水質(zhì)量全約束狀態(tài)水管1階模態(tài)頻率仿真值為176 Hz，陣型主要表現(xiàn)Z向跳動(dòng)，與實(shí)測(cè)水管模態(tài)一致，模型準(zhǔn)確。因此，可在此模型基礎(chǔ)上針對(duì)水管進(jìn)行仿真及優(yōu)化分析。

2.3 水管優(yōu)化

方案1，管路增加0.8 kg 質(zhì)量，仿真結(jié)果如圖14所示，水管1 階約束模態(tài)為85 Hz，印證了前期異響排查時(shí)采用的加質(zhì)量塊的結(jié)果。由于模態(tài)降低，在低速工況會(huì)帶來(lái)車(chē)內(nèi)噪聲峰值上升，不予考慮。

圖14 水管優(yōu)化方案1

方案2，進(jìn)水管小頭側(cè)（陣型振幅較大）位置增加一個(gè)約束支架，支架的厚度為3 mm，通過(guò)螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體剛性連接，水管1 階約束模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果為266 Hz，如圖15所示，滿(mǎn)足大于230 Hz 的優(yōu)化目標(biāo)要求。

圖15 水管優(yōu)化方案2

表1 水管優(yōu)化方案對(duì)比/Hz

綜上，考慮到優(yōu)化方案工程化實(shí)施可行性，方案2可以借用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體側(cè)現(xiàn)有的安裝孔，容易實(shí)施，最終確認(rèn)增加固定支架為最終工程化方案，并制作樣件進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

2.4 優(yōu)化方案效果驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化方案，在水管上配焊L型支架，并與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體螺栓連接如圖16所示。

然后進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析和主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果如下。

(1)增加固定支架后，主觀評(píng)價(jià)1擋、2擋、及3擋POT（部分油門(mén)開(kāi)度）在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min～3 500 r/min 時(shí)異響消除；3WOT 工況駕駛員右耳3 000 r/min下的轟鳴聲消除。

圖16 水管增加支架

(2)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，采用給水管增加支架提高水管模態(tài)方案，駕駛員右耳測(cè)點(diǎn)和水管振動(dòng)Z 向測(cè)試時(shí)域振幅都有明顯的下降，如圖17和圖18所示。

圖17 水管Z向振動(dòng)時(shí)頻域曲線(xiàn)

圖18 駕駛員右耳時(shí)頻域曲線(xiàn)

駕駛員右耳3 040 r/min 2 階轟鳴聲下降4 dB，如圖19所示。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)引起小油門(mén)加速工況3 100 r/min“guagua”異響和轟鳴的主因是水泵連接水管安裝模態(tài)頻率偏低，受發(fā)動(dòng)機(jī)2 階激勵(lì)在3 000 r/min 附近產(chǎn)生共振并與對(duì)接件接觸而產(chǎn)生異響，采用增加安裝支架提高該水管約束模態(tài)的方案可有效消除異響，降低轟鳴聲。

圖19 駕駛員右耳2階曲線(xiàn)

(2)本文研究工作為發(fā)動(dòng)機(jī)附屬件模態(tài)匹配設(shè)計(jì)提供了參考思路和借鑒。水泵連接水管與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連，兩端接口有橡膠密封圈，此類(lèi)結(jié)構(gòu)模態(tài)通常較低，容易在發(fā)動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)引起共振，在開(kāi)發(fā)前期一般可以考慮通過(guò)增加支架約束方式來(lái)提高模態(tài)頻率，約束模態(tài)頻率最低要求大于230 Hz。

(3)小波變換、濾波回放等信號(hào)時(shí)頻域分析方法能夠快速有效識(shí)別異響類(lèi)瞬態(tài)信號(hào)特征。