基于TPA方法低頻路噪分析與優(yōu)化

辛萬濤　白楊翼　武俊杰

摘 要：某純電動(dòng)汽車在粗糙路面勻速60km/h行駛過程中，車內(nèi)后排乘客能感受到明顯轟鳴聲。通過整車聲腔模態(tài)、TPA傳遞路徑分析等試驗(yàn)分析，?確認(rèn)問題產(chǎn)生機(jī)理：路面激勵(lì)-后副車架本體模態(tài)放大-車內(nèi)聲腔模態(tài)耦合。通過降低后副車架襯套硬度，整車轟鳴聲得到明顯改善，同時(shí)對(duì)優(yōu)化后襯套進(jìn)行耐久分析，最終確認(rèn)為工程實(shí)施方案。關(guān)鍵詞：路噪;TPA貢獻(xiàn)量分析;聲腔模態(tài)耦合;后副車架中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-128-04

Abstract：?When Battery Electric Vehicles travels at a constant speed of 60km/h on rough road surface， passengers in the rear of the vehicle can feel the obvious roar.Through the analysis of vehicle acoustic cavity mode and TPA transmission path， the problem mechanism was confirmed： road excitation-rear subframe bulk mode amplification- car acoustic cavity mode coupling.By reducing the hardness of the rear subframe bushing， the roar of the whole vehicle is obviously improved. Meanwhile， the durability analysis of the optimized bushing is carried out， which is finally confirmed as the project implementation plan.Keywords： Road noise; TPA contribution analysis; Acoustic cavity modal coupling; Rear SubframeCLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-128-04

前言

當(dāng)今社會(huì)下，人們對(duì)汽車的需求直線上升。目前國內(nèi)外汽車市場(chǎng)，為解決環(huán)境污染與能源急速消耗的困擾，各大主機(jī)廠開始大力研發(fā)新能源汽車，其中投入生產(chǎn)的一個(gè)重要方向就是純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicle，簡(jiǎn)稱BEV）。隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展及人們生活水平的提升，汽車市場(chǎng)對(duì)BEV的需求，已不僅僅局限于續(xù)航里程、安全性等基本性能，對(duì)其舒適性的要求日益提高。與傳統(tǒng)燃油車相比，BEV在行駛過程中，其動(dòng)力總成產(chǎn)生的噪聲對(duì)車內(nèi)影響已十分輕微，從而導(dǎo)致低中頻段的路面激勵(lì)噪聲、中高頻段的風(fēng)激勵(lì)噪聲在車內(nèi)十分凸顯，影響車內(nèi)乘客的舒適性體驗(yàn)。目前路噪問題的分析與控制，已成為新能源汽車研發(fā)的主要課題之一。

本文以市場(chǎng)某純電動(dòng)汽車NVH開發(fā)為例，針對(duì)其道路激勵(lì)產(chǎn)生的轟鳴問題，對(duì)其激勵(lì)源、傳遞路徑與車身響應(yīng)進(jìn)行了全面分析，尋找出主要影響因素并進(jìn)行優(yōu)化，最終優(yōu)化方案得到工程化實(shí)施，量產(chǎn)。

1 問題描述及初步分析

1.1 問題描述

某純電動(dòng)汽車經(jīng)主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，在粗糙路勻速60kph行駛時(shí)，車內(nèi)后排出現(xiàn)較明顯轟鳴聲，嚴(yán)重影響后排乘客的舒適性。通過路面對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)相同駕駛條件下在光滑瀝青路上行駛時(shí)，轟鳴聲消失。由此初步判斷：此轟鳴聲是經(jīng)粗糙路激勵(lì)產(chǎn)生的路噪問題。

1.2 客觀數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步分析問題原理，需針對(duì)本問題進(jìn)行客觀測(cè)試，考慮外部激勵(lì)及汽車本身等影響因素，制定以下兩個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行排查。

①道路試驗(yàn)：試驗(yàn)路面為試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)粗糙路段，車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)位置參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在駕駛員座椅右耳、后排右側(cè)座椅左耳位置進(jìn)行布置，其測(cè)點(diǎn)布置距離信息如圖1所示。

采用NVH測(cè)試專用軟件LMS Test. Lab 16A對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過軟件將時(shí)域信號(hào)throughput做FFT（快速傅里葉變換）轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)進(jìn)行分析。由于路噪問題所在的頻率范圍較低，因此噪聲分析頻段為20-500Hz，設(shè)置采樣率為1，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

道路試驗(yàn)結(jié)果析：勻速60kph粗糙路激勵(lì)的主要問題峰值為77 Hz與200 Hz。結(jié)合LMS軟件中濾波回放功能，分別屏蔽77H與200Hz對(duì)比，發(fā)現(xiàn)造成車內(nèi)轟鳴聲的問題頻率為77Hz。

②聲腔模態(tài)試驗(yàn)：參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AERI-XNNVH-WI-SY-?41-2012《乘員艙聲腔模態(tài)試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則》在整車內(nèi)建立空間模型，布置測(cè)點(diǎn)。通過體積聲源發(fā)聲，采集模型各點(diǎn)的聲音信號(hào)，整體計(jì)算，分析模型的頻率特征。此試驗(yàn)需在半消聲室里面進(jìn)行，所需要設(shè)備有：LMS SCADAS MOBILE?數(shù)據(jù)采集前端、BK 1/2"傳聲器、雅馬哈650W 功放、LMS中低頻體積聲源、測(cè)試軟件LMS Test. Lab 16A等。參照AERI-XN/?NVH-WI-CZ《LMS SCADAS Mobile 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)操作規(guī)程》進(jìn)行設(shè)置，采集。其中設(shè)置參數(shù)如圖3所示，采集結(jié)果如圖4所示。

聲腔模態(tài)結(jié)果分析：本樣車縱向二階聲腔模態(tài)為76Hz，與道路激勵(lì)的主要問題峰值77Hz高度一致。

1.3 初步判定

結(jié)合道路與聲腔模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，初步判定車內(nèi)轟鳴聲產(chǎn)生原因：粗糙道路激勵(lì)傳遞至車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，與聲腔模態(tài)耦合。

考慮到聲腔模態(tài)的優(yōu)化，需變更其內(nèi)飾設(shè)計(jì)、空間布置、甚至整車模型，而樣車階段此類數(shù)據(jù)凍結(jié)，無法實(shí)現(xiàn)。故后續(xù)需在道路激勵(lì)路徑上做噪聲優(yōu)化及工程方案。

2 機(jī)理分析

2.1 問題峰值分析

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，路面噪聲在20-500Hz頻段內(nèi)一般分為5段問題集中區(qū)域，如圖5所示：

各段區(qū)域總結(jié)如下：

① 20-50Hz：路面激勵(lì)，易激發(fā)上車體薄弱處模態(tài)造成影響，如面積較大板金，開閉件等。

② 50-180Hz：路面激勵(lì)，經(jīng)車身的底盤件結(jié)構(gòu)傳遞路徑放大，傳遞至車內(nèi)。

③ 180-220Hz：此頻段多為輪胎空腔模態(tài)集中區(qū)域。

④ 220-380Hz：路面激勵(lì)，經(jīng)底盤件或底盤件安裝點(diǎn)等位置放大，傳遞至車內(nèi)。

⑤ 380-500Hz：空氣路徑，多受輪胎花紋輻射噪聲，整車聲學(xué)包吸隔聲性能等影響。

結(jié)合實(shí)測(cè)分析結(jié)果，77Hz峰值可歸為問題②區(qū)間，即輪胎經(jīng)粗糙路路面激勵(lì)，由轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞至各底盤桿件，經(jīng)底盤件結(jié)構(gòu)傳遞至車內(nèi)，造成車內(nèi)噪聲惡化。

2.2 傳遞路徑描述

以某在研純電動(dòng)汽車底盤件（前懸架為麥弗遜式獨(dú)立懸架，后懸架為多連桿結(jié)構(gòu)）為例，由輪胎激勵(lì)，經(jīng)“轉(zhuǎn)向節(jié)—底盤件-車身”路徑下的所有傳遞路徑如圖6所示。

輪胎受激勵(lì)后，經(jīng)轉(zhuǎn)向節(jié)向車身傳遞的路徑有許多種，同一問題可經(jīng)過不同的桿件路徑傳遞至車內(nèi)，且不路徑的桿件屬性、襯套屬性不同，對(duì)同一激勵(lì)傳遞至車內(nèi)的貢獻(xiàn)量亦不同。若單一排查，容易遺漏問題點(diǎn)，不利于對(duì)問題源進(jìn)行精確分析。綜合以上考慮，后續(xù)做整車傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析進(jìn)行問題路徑排查。

2.3 傳遞路徑分析

傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，簡(jiǎn)稱TPA）是一種基于試驗(yàn)的振動(dòng)噪聲分析方法，一般將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)較為獨(dú)立的子結(jié)構(gòu)，每個(gè)子結(jié)構(gòu)都以傳遞函數(shù)來表征其結(jié)構(gòu)特性。關(guān)于TPA詳細(xì)原理介紹，目前行業(yè)內(nèi)文獻(xiàn)較多，本文不再贅述。

進(jìn)行TPA分析，需結(jié)合粗糙路60kph路面激勵(lì)車內(nèi)噪聲結(jié)果、車內(nèi)噪聲傳遞函數(shù)NTF（Noise transfer function）、安裝點(diǎn)動(dòng)剛度加速度導(dǎo)納IPI（Input Point Inertance）等數(shù)據(jù)，導(dǎo)入LMS Test. Lab軟件計(jì)算整車傳遞路徑貢獻(xiàn)量。因數(shù)據(jù)量較大，本文選取部分計(jì)算結(jié)果作為分析對(duì)象，車內(nèi)后排噪聲TPA計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)TPA貢獻(xiàn)量分析，發(fā)現(xiàn)后排轟鳴聲的主要貢獻(xiàn)量來源于后副車架Z向振動(dòng)激勵(lì)，如圖8所示。

此BEV樣車后副車架4個(gè)安裝點(diǎn)均帶有隔振襯套，與車身彈性連接，其模型如圖9所示。

通過對(duì)副車架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，其本體可能出現(xiàn)問題的方向可分為兩類：

① 整體模態(tài)影響;

② 局部模態(tài)（單一的彎臂或者橫梁）影響。

下一步則針對(duì)兩個(gè)方向分別做優(yōu)化方案驗(yàn)證。

3 方案制定及優(yōu)化效果

3.1 方案制定

后副車架安裝于車身時(shí)，其結(jié)構(gòu)整體類似于一套單自由度系統(tǒng)，公式如下：

其中：f=固有頻率;M=質(zhì)量;K=總剛度。

為排查后副車架整體模態(tài)是否對(duì)整車造成影響，從公式上分析，可降低其襯套剛度或者增加其整體質(zhì)量，而增加質(zhì)量與汽車輕量化設(shè)計(jì)理念相違背，工程化方案不易推動(dòng)，故方案制定以降低襯套剛度為主，因襯套剛度與硬度正相關(guān)，在襯套的橡膠工藝上硬度參數(shù)更易控制，故在原67HR（前襯套）、60HR（后襯套）基礎(chǔ)上，前后襯套硬度各降低5HR，如圖10所示。

為排查后副車架局部模態(tài)是否對(duì)整車造成影響，需改變其局部結(jié)構(gòu)。以少量金屬角鐵焊接其彎臂與橫梁，改變其結(jié)構(gòu)的同時(shí)，不會(huì)造成質(zhì)量過多對(duì)整體模態(tài)的影響，如圖11所示。

3.2 方案優(yōu)化效果

后副車架焊接角鋼前后對(duì)比，車內(nèi)后排噪聲無改善效果;而副車架襯套硬度降低后，后排噪聲77Hz峰值處降低7dB（A），轟鳴聲改善十分明顯，后排主觀感受可接受，對(duì)比結(jié)果如圖12所示。后續(xù)通過耐久性驗(yàn)證，方案工程化實(shí)施。

4 總結(jié)

本文主要針對(duì)某純電動(dòng)車在粗糙路上60kph勻速行駛時(shí)，后排轟鳴問題的路徑分析和原因排查，確認(rèn)問題產(chǎn)生原因：路面激勵(lì)-后副車架本體模態(tài)放大-車內(nèi)聲腔模態(tài)耦合。通過降低襯套硬度最終成功解決轟鳴問題。

通過此問題，獲取經(jīng)驗(yàn)如下：

① 路噪問題分析中，要全面綜合的考慮外部激勵(lì)與汽車本身因素。

② TPA對(duì)于路噪的傳遞路徑分析具有比較完整、全面的優(yōu)勢(shì)，能突出優(yōu)先級(jí)，且不易遺漏問題點(diǎn)。

③ 后副車架襯套硬度的調(diào)整，是改變了后副車架的剛體模態(tài)，對(duì)于車內(nèi)由路面激勵(lì)產(chǎn)生的轟鳴聲改善效果十分明顯，工程化方案中，襯套的更改需做耐久性驗(yàn)證。

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