基于傳遞路徑分析法的皮卡轟鳴問題整改

白 楊 ， 徐登洲 ， 李艷明

（1.江鈴汽車股份有限公司，南昌 330001；2.南昌益輝塑業(yè)有限公司，南昌 330096）

0 引言

隨著人民生活水平的提高，用戶對車輛舒適性的需求也越來越高。作為客戶最能感知的性能之一，NVH（Noise, Vibration and Harshness）備受關注。近年來，國內(nèi)在整車NVH 性能優(yōu)化上取得長足的進步，市面上自主品牌車輛的NVH 性能也越來越好，這都得益于研究學者在整車NVH 開發(fā)上深入的研究和實踐，以及系統(tǒng)集成觀和基于系統(tǒng)目標決策的性能設計思路把整車NVH 開發(fā)提升一個等級[1-3]。

過去，汽車NVH 問題的解決主要是樣車制造出來后進行全面測試，對發(fā)現(xiàn)的問題進行整改，改進方案完成后再裝車驗證，整車開發(fā)70%的時間都用在問題整改上?？煽啃则炞C也往往要重復進行，費時費力[4]?，F(xiàn)在的NVH 開發(fā)思路已經(jīng)發(fā)生徹底的改變，主要表現(xiàn)在V 字形的開發(fā)過程和整車NVH目標設定及分解開發(fā)[5-6]。圖1 是當前各主機廠普遍使用的整車性能開發(fā)過程。從圖中可以看出，性能目標逐層分解后指導各零部件系統(tǒng)開發(fā)，各零部件系統(tǒng)完成開發(fā)驗證后組成整車，再進行整車級別的驗證。從研究經(jīng)驗來看，這個過程可以縮短一半的后期整改時間，減少整改費用30%。

由于汽車是一個復雜的集成體，即使各系統(tǒng)都達到分解的性能目標，集成在一起并非一定滿足整車目標[7]。一方面，目標分解并不是準確無誤的，另一方面，還有很多NVH 問題是事先不能很好預測的；因此，整改還是非常重要。

圖1 整車性能開發(fā)過程Fig.1 Development process of vehicle performance

國外對NVH 問題的研究起步早，研究較深入。KOBIKI 等[8]采用仿真和試驗對比研究車內(nèi)轟鳴噪聲識別了關鍵影響因素。LEE 等[9]主張通過聲品質(zhì)而不是單純的頻率和響度來評價車內(nèi)轟鳴噪聲。國內(nèi)對NVH 問題關注較晚但是進步很大，尤其通過傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis,TPA），可以從不同路徑對車內(nèi)噪聲的貢獻進行分析從而識別出貢獻最大的路徑，指導車優(yōu)化改進。顏伏伍等[10]基于傳遞路徑分析，確定后懸架橫向穩(wěn)定桿與發(fā)動機激勵耦合引起車內(nèi)轟鳴，通過優(yōu)化橫向穩(wěn)定桿使車內(nèi)轟鳴噪聲得到有效控制。段龍揚[11]對轟鳴噪聲的傳遞路徑進行試驗識別，確認了傳動系統(tǒng)扭振問題及后橋模態(tài)對車內(nèi)轟鳴噪聲影響。李文武[12]建立車輛傳動系統(tǒng)的仿真模型，通過模型指導改進車身局部結(jié)構與改進傳動系參數(shù)來降低車內(nèi)轟鳴。

本研究針對柴油皮卡后排座椅處轟鳴聲問題，利用傳遞路徑分析，建立NVH 傳導模型并運用CAE 輔助找到故障產(chǎn)生原因，確認多項糾正措施，以解決該故障。

1 故障背景

柴油2 驅(qū)皮卡（車輛1），4 檔75%以上油門加速或3～5 檔勻速行駛時，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1400～1500 r/min，車內(nèi)存在較明顯轟鳴聲，造成耳壓感，后排座椅處最為明顯。將其與同級別2 款車（車輛2、3）進行同工況后排座椅處噪聲采樣，車輛1 在1300～1500 r/min 處存在較明顯的波峰，比車輛2、3 約高5 dB（圖2）。經(jīng)過查找，后排座椅處的轟鳴聲是乘員艙后圍板及貨箱前圍板振動產(chǎn)生。

2 問題排查過程

圖2 同工況下車輛1～3 后排座椅處噪聲測試曲線Fig.2 Vehicle 1～3 noise curve of rear seat under the same working condition

轟鳴問題的產(chǎn)生一般是激勵源產(chǎn)生的激勵通過傳遞路徑賦能給響應器，使得響應器產(chǎn)生振動（圖3）。要解決轟鳴問題也往往從這3 方面著手，即降低激勵源的能量、隔斷傳播路徑、減少響應器的響應能力[7,13]。但最終的考核目標應是乘客能感知的車內(nèi)綜合噪聲，主要表現(xiàn)在聲音大小、聲音品質(zhì)和聲音頻率等方面。

因該轟鳴與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有較明顯的關聯(lián)，故主要排查發(fā)動機、變速箱、后橋和輪胎等傳動系。表1 為轟鳴激勵源和傳導路徑分析。

按照該思路，分析結(jié)果為：1）發(fā)動機、變速箱和傳動軸輻射噪聲無法將大能量傳遞至響應器，且其中高頻聲音與轟鳴所在的低頻區(qū)不吻合；2）各懸置解耦正常，無法傳遞激勵；3）車架模態(tài)、輪胎振動與響應器頻率間隔很大，不存在傳導可能。對乘員艙后圍板、貨箱前圍板、傳動軸、后橋進行CAE 模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，后橋在問題工況下有44 Hz左右的振動。該頻率與乘員艙后圍板、貨箱前圍板的模態(tài)頻率高度吻合[14]（圖4）。

圖3 共振及噪聲傳導路徑Fig.3 Noise and vibration transmission path

表1 轟鳴激勵源、傳導路徑分析Table 1 Excitation source & transmission path analysis

通過CAE 結(jié)果可以確認，該問題產(chǎn)生和傳導的過程應是：激勵源為后橋，后橋在問題工況下有44 Hz 左右的明顯振動。該振動通過空氣傳導到貨箱前圍板。前圍板在40 Hz 附近有明顯模態(tài)，可與后橋產(chǎn)生較為明顯的共振[6,15]。乘員艙后圍板在38～43 Hz 之間也有較為明顯的模態(tài)，可與貨箱前圍板產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生轟鳴。由于乘員艙后圍板振動面積大、振幅大，故耳壓感很明顯。

圖4 車輛1 乘員艙后圍板Fig.4 Rear coaming of crew compartment of vehicle 1

3 改進措施

解決共振問題的基本原則是從激勵源、響應器、傳導路徑3 方面入手。解決的手段是錯開模態(tài)、隔斷傳導路徑、減少人耳處接收的聲波。針對以上問題初步尋找改進措施方向，見表2，故方案重點在改變響應器的模態(tài)及振幅上。

表2 改進措施分析Table 2 Improvement measure discussion

3.1 改變貨箱前圍板模態(tài)

因貨箱鈑金模具昂貴，改變結(jié)構或增加材料厚度都會造成模具修模甚至重開，損失較大。降低材料厚度可能造成貨箱強度降低，耐用性降低[16-17]。通常作為備選方案。此處選擇在貨箱前圍板CAE 分析會產(chǎn)生較大共振處補焊型材的方式，如圖5 所示。

貨箱前圍板鈑金厚度為1 mm，對補焊型材的厚度進行厚度和寬度雙變量CAE 迭代分析，厚度下限取0.5 mm，寬度下限取50 mm，要求頻率偏離原有頻率4 Hz 以上[5]（圖6）。經(jīng)過計算，補焊型材寬度大于53 mm，厚度達到0.43 mm 即可。故取整數(shù)寬為60 mm，厚為0.5 mm。CAE 計算模態(tài)提升至45.2 Hz。

3.2 優(yōu)化乘員艙后圍板狀態(tài)

圖5 貨箱前圍板補焊型材示意圖Fig.5 Schematic illustration of welding section bar to front coaming of container

圖6 貨箱前圍板補焊型材后模態(tài)分析結(jié)果Fig.6 Modal analysis of front coaming of container after welding section bar

因乘員艙后圍板模態(tài)超標區(qū)域面積較大，如果采用改變結(jié)構、厚度，或者補焊加強的方式成本都較高。故考慮采用貼阻尼墊的方法，使共振模態(tài)下的振動幅度盡量降低，優(yōu)化結(jié)果見圖7。

鑒于后圍板的模態(tài)未改變，共振還是會產(chǎn)生，故在乘員艙后圍板與內(nèi)飾板之間增加一層隔音棉，進一步吸收諸如風燥、胎噪、輻射噪聲及共振噪聲。

圖7 乘員艙后圍板貼阻尼墊優(yōu)化前后振幅對比Fig.7 Amplitude comparison of rear coaming of crew compartment before and after optmizing

4 分析與討論

通過上述分析能夠確認，該轟鳴問題是后橋振動傳遞到貨箱前圍板導致共振，并引起乘員艙后圍板共振產(chǎn)生的。改進措施：1）在貨箱前圍板上補焊型材以改變其模態(tài)，使得貨箱前圍板不和后橋產(chǎn)生共振；2）在乘員艙后圍板上增加阻尼墊以減小共振振幅；3）在乘員艙后圍板與內(nèi)飾板之間增加隔音棉吸收和阻隔噪聲。實施上述優(yōu)化措施，制作樣件裝車進行實車驗證，后排座椅綜合聲音品質(zhì)有明顯提升。在63 Hz 處噪聲降低約2.4 dB，語音清晰度提升10%[18]（圖8）。

針對整車轟鳴問題的解決，通常在設計階段就進行全系列CAE 分析預先發(fā)現(xiàn)問題。但是如前文所述，后期進行設計驗證時發(fā)現(xiàn)問題并通過調(diào)教解決問題依舊很重要。針對進氣轟鳴，主要是調(diào)整空濾、進氣管和增加諧振腔等方式，需要在設計階段就進行CFD 分析，確認進氣系統(tǒng)參數(shù)。裝車后再根據(jù)實測值進行調(diào)整。針對發(fā)動機引起的共振，主要是設計階段對懸置橡膠進行解耦分析，充分解耦掉發(fā)動機6 個自由度上的頻率。也可以在發(fā)動機艙增加聲包裹，隔斷和吸收發(fā)動機及進氣系統(tǒng)轟鳴。針對排氣轟鳴，主要是調(diào)整排氣管的管型和優(yōu)化消聲器。

在整車設計階段務必對車身鈑金、車架、傳動軸和后橋等做模態(tài)分析。設計時要求模態(tài)較低的各零件務必錯開模態(tài)頻率5 Hz 以上，且越大越好。在消除共振影響的時候，不能單一考慮錯開模態(tài)頻率，也可以用減少共振振幅的方式。在后期問題排查階段要注意聲音傳導過程中的頻率變化。如本研究中后橋振動頻率為44 Hz，貨箱前圍板模態(tài)為40 Hz，還會產(chǎn)生顯著共振的原因是后橋振動傳導過程中會因為車輛速度產(chǎn)生移頻，貨箱前和乘員艙后圍板間隙在車輛行駛過程中產(chǎn)生負壓，也會造成振動傳導的移頻。估算后橋44 Hz 的頻率在貨箱前圍板處會變化為約42 Hz。

圖8 后排座椅處綜合聲音品質(zhì)優(yōu)化前后對比Fig.8 Back row voice quality comparison

5 結(jié)論

1）車輛轟鳴問題為后橋振動激勵貨箱前圍板和乘員艙后圍板所產(chǎn)生。

2）通過補焊型材改變貨箱前圍板模態(tài)避免共振，通過貼阻尼墊減少乘員艙后圍板振幅，并增加隔音棉，可以有效解決轟鳴帶來的影響。