某純電動(dòng)轎車(chē)車(chē)內(nèi)轟鳴實(shí)驗(yàn)分析及改進(jìn)研究

周小明，舒 斌

(江鈴集團(tuán)新能源汽車(chē)有限公司工程研究院，330063，南昌 )

0 引言

純電動(dòng)汽車(chē)作為我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)及戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃對(duì)象，在汽車(chē)市場(chǎng)上的占比逐漸提升并得到一定使用，人們對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的需求不再局限于經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性，還有舒適性。車(chē)內(nèi)轟鳴作為一種低頻噪聲[1-2]，極易引起車(chē)內(nèi)人員頭暈、惡心及耳朵不適，嚴(yán)重影響乘車(chē)舒適性。然而，車(chē)內(nèi)轟鳴的產(chǎn)生來(lái)自單個(gè)或多個(gè)零部件激勵(lì)引起[3]，純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)燃油車(chē)在結(jié)構(gòu)上不盡相同，為此針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)轟鳴問(wèn)題各學(xué)者展開(kāi)了一系列研究。目前分析車(chē)內(nèi)轟鳴主要從頻率特性及幅值響應(yīng)著手，采用傳遞路徑分析[4-6]、模態(tài)識(shí)別[7-8]等方法查找轟鳴貢獻(xiàn)源，通過(guò)在噪聲傳遞路徑上的優(yōu)化、改變激勵(lì)響應(yīng)及改善結(jié)構(gòu)固有特性[9]等形式對(duì)車(chē)內(nèi)轟鳴進(jìn)行優(yōu)化。

本文針對(duì)某款純電動(dòng)轎車(chē)在勻加速過(guò)程中出現(xiàn)明顯車(chē)內(nèi)轟鳴現(xiàn)象，利用LMS Test. Lab對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲及車(chē)身模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，加以試驗(yàn)驗(yàn)證方式識(shí)別出轟鳴主要貢獻(xiàn)源為車(chē)身頂蓋。通過(guò)HyperWorks軟件建立了車(chē)身頂蓋局部有限元模型，并對(duì)頂蓋鈑金敷設(shè)局部增強(qiáng)材料并對(duì)其布局進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善車(chē)內(nèi)轟鳴并提供了一定指導(dǎo)價(jià)值。

1 樣車(chē)車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲分析

在樣車(chē)駕評(píng)過(guò)程中反饋，在粗糙路面勻加速工況下具有明顯轟鳴，且后排更嚴(yán)重。為判斷該轟鳴下的車(chē)速，利用LMS Test. Lab對(duì)駕駛員右耳布置聲壓傳感器進(jìn)行全油門(mén)加速采集噪聲頻率特性。圖1所示為全油門(mén)加速車(chē)內(nèi)駕駛員右耳噪聲頻率隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系，同時(shí)計(jì)算加速過(guò)程O(píng)A曲線(xiàn)。

圖1 加速車(chē)內(nèi)轟鳴頻率特性

從圖1表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 762 r/min時(shí)，即車(chē)速為50 km/h左右出現(xiàn)明顯轟鳴，且貢獻(xiàn)源主要為36 Hz。

為進(jìn)一步排查勻速50 km/h時(shí)的車(chē)內(nèi)轟鳴，對(duì)駕駛員右耳及后排外耳采集噪聲頻率，如圖2所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在低頻段車(chē)內(nèi)轟鳴有2個(gè)噪聲峰值36 Hz及47 Hz，前排主貢獻(xiàn)為36 Hz，后排主貢獻(xiàn)為47 Hz，且后排綜合噪聲值要大于前排3 dB。該特性與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相一致。

2 轟鳴貢獻(xiàn)源排查分析

純電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)轟鳴產(chǎn)生原因?yàn)檐?chē)在行駛過(guò)程中，電機(jī)或輪胎作為激勵(lì)源，引起整車(chē)結(jié)構(gòu)件局部共振或受迫振動(dòng)、激發(fā)整車(chē)空腔模態(tài)及動(dòng)力總成懸置隔振率不足。為此從3條路徑上對(duì)轟鳴貢獻(xiàn)源進(jìn)行排查分析。

圖2 勻速50 km/h車(chē)內(nèi)噪聲頻率特性

2.1 整車(chē)空腔模態(tài)分析

利用HyperMesh對(duì)該車(chē)TB模型搭建封閉的聲腔有限元模型，即模型中不含座椅及內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，如圖3所示。通過(guò)OptiStruct求解器對(duì)聲腔進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算，得到前5階模態(tài)如表1所示。

圖3 聲腔有限元模型

表1 1～5階聲腔模態(tài)

通過(guò)表1可知，聲腔模態(tài)前五階固有頻率均遠(yuǎn)大于引起轟鳴對(duì)應(yīng)的頻率，因此可排除聲腔對(duì)本車(chē)轟鳴產(chǎn)生作用。

2.2 動(dòng)力總成懸置隔振率分析

本車(chē)為前動(dòng)力總成前驅(qū)，TRA式3點(diǎn)懸置系統(tǒng)。左右懸置對(duì)稱(chēng)連接框梁與縱梁，后懸置連接變速箱與副車(chē)架。測(cè)試工況為全油門(mén)加速工況(0～4 000 r/min)，對(duì)3點(diǎn)懸置采集其主被動(dòng)端X、Y、Z方向振動(dòng)加速度信號(hào)及車(chē)內(nèi)駕駛員右耳噪聲信號(hào)。如圖4所示，全油門(mén)加速過(guò)程中0.8階次噪聲在2 700 r/min時(shí)通過(guò)共振帶36 Hz，在3 500 r/min時(shí)通過(guò)共振帶47 Hz，表明該激勵(lì)對(duì)轟鳴具有貢獻(xiàn)，為此對(duì)3點(diǎn)懸置進(jìn)行隔振率排查。

圖4 全油門(mén)加速車(chē)內(nèi)噪聲

表2為3點(diǎn)懸置主被動(dòng)段三方向隔振率測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算0.8階次下主被動(dòng)36 Hz及47 Hz隔振率，以及被動(dòng)端0.8階次振動(dòng)幅值判別懸置隔振效果。

表2 全油門(mén)加速懸置隔振參數(shù)

通過(guò)對(duì)表2分析可知，3點(diǎn)懸置對(duì)0.8階次隔振均未達(dá)到15 dB，然而被動(dòng)端振幅大部分小于等于0.05 g。表明懸置對(duì)該階次隔振基本滿(mǎn)足，但該激勵(lì)的能量由部分通過(guò)懸置傳遞至車(chē)身結(jié)構(gòu)。

2.3 結(jié)構(gòu)件排查分析

從本車(chē)轟鳴反應(yīng)的頻率特征可知，需要對(duì)可能激起模態(tài)的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行排查分析，為此主要對(duì)車(chē)身、前艙模塊、頂蓋、機(jī)艙蓋及尾門(mén)進(jìn)行排查，通過(guò)LMS Test. Lab對(duì)其進(jìn)行模態(tài)測(cè)試得到前2階模態(tài)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)件模態(tài)

從表3可知，頂蓋橫彎引起轟鳴的頻率接近，為此初步懷疑為頂蓋為轟鳴貢獻(xiàn)源。為進(jìn)一步確定頂蓋是否為轟鳴貢獻(xiàn)源，對(duì)頂蓋附加質(zhì)量塊，通過(guò)對(duì)比方案前后車(chē)內(nèi)噪聲與振動(dòng)幅值是否降低的判斷方式，判斷該結(jié)構(gòu)是否對(duì)轟鳴有貢獻(xiàn)。方案前后車(chē)速為50 km/h噪聲測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 車(chē)內(nèi)駕駛員噪聲方案前后對(duì)比

圖6 車(chē)內(nèi)后排噪聲方案前后對(duì)比

研究發(fā)現(xiàn)，在頂蓋附加質(zhì)量后，車(chē)內(nèi)駕駛員噪聲整體下降0.5 dB，在20～100 Hz轟鳴敏感頻段噪聲由40.3 dB降至31.6 dB，下降8.7 dB。車(chē)內(nèi)后排噪聲整體下降1.5 dB，在20～100 Hz轟鳴敏感頻段噪聲由42.4 dB下降至35.2 dB，下降7.2 dB。綜上表明，頂蓋為轟鳴貢獻(xiàn)源，通過(guò)改善頂蓋能有效優(yōu)化本車(chē)轟鳴。同時(shí)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化頂蓋駕駛員比后排轟鳴感降低更加有效。

3 車(chē)內(nèi)轟鳴噪聲優(yōu)化改進(jìn)研究

通過(guò)上述分析可知，對(duì)車(chē)內(nèi)轟鳴優(yōu)化可以從多個(gè)方向優(yōu)化，對(duì)引起0.8階次本體優(yōu)化、對(duì)懸置進(jìn)行優(yōu)化與對(duì)頂蓋進(jìn)行優(yōu)化。本文主要從頂蓋方向?qū)?chē)內(nèi)轟鳴進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 頂蓋優(yōu)化改進(jìn)研究及測(cè)試驗(yàn)證

從前文所做頂蓋模態(tài)可知，頂蓋局部模態(tài)37 Hz和48.3 Hz 與車(chē)內(nèi)轟鳴頻率相耦合，且后頂蓋局部模態(tài)振幅大于前頂蓋局部模態(tài)。針對(duì)頂蓋引起轟鳴現(xiàn)象，根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理可知，可以通過(guò)增加頂蓋剛度形式，提升頂蓋模態(tài)頻率從而避開(kāi)轟鳴頻率，通常采用增加頂蓋橫梁與粘貼熱熔增強(qiáng)貼片。同時(shí)，也可通過(guò)增加阻尼降低振動(dòng)幅值?？紤]到工程實(shí)踐可行性及成本，本文主要通過(guò)粘貼熱熔增強(qiáng)貼片進(jìn)行改進(jìn)研究。

傳統(tǒng)方法敷設(shè)增強(qiáng)貼片為通過(guò)局部剛度薄弱點(diǎn)確定敷設(shè)位置，且對(duì)厚度、面積未有明確的概念。本文借助有限元軟件基于模態(tài)應(yīng)變能法綜合考慮增強(qiáng)貼片敷設(shè)位置、形狀及重量因素，對(duì)頂蓋轟鳴進(jìn)行優(yōu)化。

為縮短計(jì)算時(shí)間，不失準(zhǔn)確性地采用頂蓋局部為研究對(duì)象，通過(guò)CATIA建立頂蓋局部三維模型導(dǎo)入HyperWorks中，然后通過(guò)對(duì)頂蓋附加增強(qiáng)片屬性建立含增強(qiáng)片有限元模型，以此為基礎(chǔ)計(jì)算模態(tài)。計(jì)算使用基本參數(shù)如表4所示。

表4 模型計(jì)算基本參數(shù)

為了得到精確的計(jì)算結(jié)果，鈑金件采用殼單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格平均尺寸6 mm×6 mm，焊點(diǎn)采用acm焊點(diǎn)單元模擬，焊縫采用penta焊縫單元模擬，粘膠采用adhesives單元模擬。計(jì)算得到前5階頂蓋約束模態(tài)，如圖7為頂蓋二階約束模態(tài)，振型為橫彎，頻率為46.1 Hz與測(cè)試模態(tài)相吻合，表明本模型滿(mǎn)足計(jì)算要求能有效反應(yīng)實(shí)際情況。

為獲知增強(qiáng)貼片的敷設(shè)位置，通過(guò)計(jì)算得到頂蓋模態(tài)應(yīng)變能，并對(duì)應(yīng)變能大的位置進(jìn)行附加多種增強(qiáng)片進(jìn)行驗(yàn)證。如圖8所示，除橫梁外應(yīng)變能大的位置為前頂蓋起筋中間位置與后頂蓋起筋中間位置，該位置為增強(qiáng)片重要敷設(shè)位置。

圖7 頂蓋2階約束模態(tài)圖

圖8 頂蓋2階模態(tài)應(yīng)變能云圖

根據(jù)粘貼附著能力和有效性，對(duì)增強(qiáng)片厚度選用3 mm進(jìn)行分析。同時(shí)基于模態(tài)應(yīng)變能法，在保證前后頂蓋應(yīng)變能最大處敷設(shè)條件下，本文對(duì)后頂蓋不同形狀增強(qiáng)貼片方案開(kāi)展研究。圖9給出了在前頂蓋敷設(shè)相同增強(qiáng)片狀態(tài)下，后頂蓋敷設(shè)僅中心區(qū)域增強(qiáng)片(增強(qiáng)貼片方案a)，后頂蓋敷設(shè)雙十字增強(qiáng)片(增強(qiáng)貼片方案b)，后頂蓋敷設(shè)中心加強(qiáng)雙十字增強(qiáng)片(增強(qiáng)貼片方案c)和后頂蓋敷設(shè)全區(qū)域增強(qiáng)片(增強(qiáng)貼片方案d)4種方案模型。

(a)增強(qiáng)貼片方案a (b)增強(qiáng)貼片方案b

(c)增強(qiáng)貼片方案c (d)增強(qiáng)貼片方案d

表5研究了不同方案用料面積及形狀對(duì)頂蓋頻率的變化。

表5 方案用料面積與頂蓋頻率變化

結(jié)果表明，不同的敷設(shè)形狀對(duì)頂蓋模態(tài)頻率影響相差較大，方案a用料面積最小，頻率較基礎(chǔ)有下降，原因?yàn)楦郊拥馁|(zhì)量比增加的剛度對(duì)頻率影響更大，增強(qiáng)片單位提升率為-1.36 Hz/m2。方案b頻率提升9.1 Hz，增強(qiáng)片單位提升率為36.4 Hz/m2。方案c頻率提升10.4 Hz，增強(qiáng)片單位提升率為34.6 Hz/m2。方案d頻率提升3.9 Hz，增強(qiáng)片單位提升率為9.3 Hz/m2。從上述反映出不同的敷設(shè)形狀相對(duì)敷設(shè)面積對(duì)模態(tài)頻率影響更大，從模態(tài)提升與工程化考慮，選用方案b進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

3.2 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

對(duì)上文提出的方案b進(jìn)行實(shí)車(chē)敷設(shè)，通過(guò)對(duì)比敷設(shè)前后車(chē)內(nèi)駕駛座內(nèi)耳及后排內(nèi)耳位置噪聲值驗(yàn)證方案有效性。

從圖10可知，頂蓋敷設(shè)增強(qiáng)貼片方案后，在勻速50 km/h工況下，引起車(chē)內(nèi)轟鳴的頻段有明顯改善。其中，在駕駛員位置較原狀態(tài)37 Hz下降12.4 dB(A)，48 Hz下降13.6 dB(A)。后排位置37 Hz下降4.4 dB(A)，48 Hz下降4.3 dB(A)。表明本文通過(guò)對(duì)頂蓋敷設(shè)增強(qiáng)貼片方法對(duì)勻速車(chē)內(nèi)轟鳴有明顯改善。

(a) 勻速50 km/h駕駛員車(chē)內(nèi)噪聲頻率特性

(b) 勻速50 km/h后排車(chē)內(nèi)噪聲頻率特性

從圖11可知，頂蓋敷設(shè)增強(qiáng)貼片方案后，在全油門(mén)加速工況下，轟鳴頻段有明顯改善。

(a) 全油門(mén)加速車(chē)內(nèi)駕駛員位置噪聲對(duì)比

(b) 全油門(mén)加速車(chē)內(nèi)后排位置噪聲對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

1)針對(duì)本純電動(dòng)轎車(chē)車(chē)內(nèi)轟鳴問(wèn)題，結(jié)合轟鳴噪聲特性，提出從激勵(lì)源動(dòng)力總成，響應(yīng)源結(jié)構(gòu)件進(jìn)行查找轟鳴頻率排查方法。

2)通過(guò)對(duì)頂蓋進(jìn)行增強(qiáng)貼片，對(duì)引起車(chē)內(nèi)轟鳴的頻段進(jìn)行了有效優(yōu)化。同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)驗(yàn)證，車(chē)內(nèi)轟鳴有了明顯改善。

3)本文提出基于模態(tài)應(yīng)變能的敷設(shè)方法基礎(chǔ)下，對(duì)敷設(shè)位置和形狀目標(biāo)進(jìn)行了討論，通過(guò)設(shè)計(jì)最佳的敷設(shè)方式，本方法能有效地滿(mǎn)足性能要求及開(kāi)發(fā)成本，具有良好的工程運(yùn)用及指導(dǎo)價(jià)值。