客車車內(nèi)轟鳴聲優(yōu)化改進(jìn)

陳海建

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

車輛在行駛過程中，由于車身板結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率比較低，車身板模態(tài)很容易與車身的聲腔模態(tài)耦合，導(dǎo)致車內(nèi)空氣產(chǎn)生體積變化，車內(nèi)聲腔將會(huì)產(chǎn)生很高的壓力脈動(dòng)，即轟鳴現(xiàn)象，引起明顯壓耳感覺，甚至出現(xiàn)頭暈、惡心等癥狀[1-3]，嚴(yán)重影響車輛乘坐舒適性。近年來，隨著客車車身骨架輕量化的實(shí)施，在一定程度上降低了整車剛度，使整車NVH性能降低[4]，這種行駛轟鳴聲問題越來越普遍。本文基于傳遞路徑分析方法，通過優(yōu)化響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)和傳播路徑，降低各中間環(huán)節(jié)響應(yīng)，并進(jìn)行模態(tài)分離，有效降低車內(nèi)轟鳴聲。

1 問題描述及改進(jìn)思路

某公路客車在勻速行駛過程中，駕駛位置、前排以及后排位置出現(xiàn)轟鳴現(xiàn)象。車速越高，轟鳴聲越嚴(yán)重，且在壞路上這種轟鳴現(xiàn)象更為明顯。該樣車懸架為板簧結(jié)構(gòu)。通過一系列測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該車前軸簧下共振頻率11.3 Hz，與車廂前部頂蓋骨架一階呼吸模態(tài)頻率11.9 Hz基本一致，路面激勵(lì)導(dǎo)致頂蓋骨架產(chǎn)生共振，而頂蓋骨架模態(tài)又與聲腔模態(tài)耦合，車內(nèi)頂蓋板件運(yùn)動(dòng)使車內(nèi)空氣產(chǎn)生較高的壓力脈動(dòng)，由此產(chǎn)生轟鳴聲。當(dāng)以相同的車速行駛，壞路上的路面激勵(lì)更大，車內(nèi)轟鳴現(xiàn)象就更嚴(yán)重。該車60 km/h勻速行駛為常用工況，客戶反映強(qiáng)烈，后續(xù)改進(jìn)將以此作為評(píng)價(jià)工況，且測(cè)試路面保持一致。原狀態(tài)下，車輛在試驗(yàn)用水泥路面(路況較差)以60 km/h勻速行駛、不開空調(diào)工況進(jìn)行測(cè)試，車內(nèi)C計(jì)權(quán)噪聲值見表1，噪聲頻譜如圖1所示。主觀感受該車行駛時(shí)轟鳴現(xiàn)象突出，有明顯壓迫耳膜的感覺。

表1 原狀態(tài)車內(nèi)噪聲測(cè)試值 dB(C)

圖1 車內(nèi)噪聲頻譜

車內(nèi)的噪聲振動(dòng)傳遞過程可以描述為車外噪聲振動(dòng)源通過車身傳遞到車內(nèi)某個(gè)位置，該位置乘員感受到振動(dòng)和噪聲的過程。這個(gè)過程可以簡(jiǎn)化為“源-傳遞函數(shù)-響應(yīng)”。如果車內(nèi)響應(yīng)點(diǎn)為噪聲，車身上第i個(gè)激勵(lì)源為Fi，該激勵(lì)點(diǎn)到噪聲響應(yīng)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)記為Hi，車內(nèi)噪聲響應(yīng)Pi與激勵(lì)Fi和傳遞函數(shù)Hi之間的關(guān)系為Pi=Fi·Hi。

由上述數(shù)學(xué)模型可以看出，車廂內(nèi)部最終的噪聲值是由不同路徑上的激勵(lì)大小和傳遞函數(shù)特性決定的[5]。要控制車內(nèi)噪聲，可以通過降低激勵(lì)和優(yōu)化傳遞函數(shù)入手。對(duì)于該車，在路面激勵(lì)-輪胎-懸架-頂蓋骨架-聲腔-人耳的傳遞過程中，中間環(huán)節(jié)輪胎、懸架和頂蓋骨架既是響應(yīng)點(diǎn)又是激勵(lì)源。在路面激勵(lì)一定的情況下，可以通過模態(tài)分離、改進(jìn)中間環(huán)節(jié)的傳遞特性、減小中間環(huán)節(jié)激勵(lì)等[6]，實(shí)現(xiàn)降低轟鳴聲的目的。

2 改進(jìn)方案

2.1 降低輪胎剛度

車內(nèi)轟鳴聲屬于低頻次聲波，可能出現(xiàn)在怠速、勻速、加速、減速等各種工況。轟鳴噪聲的激勵(lì)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、傳動(dòng)軸一階和二階激勵(lì)、路面激勵(lì)等。簧下質(zhì)量不變的情況下，可以通過改變輪胎剛度來改變簧下共振頻率，達(dá)到與頂蓋呼吸模態(tài)分離的目的，同時(shí)也能降低路面激勵(lì)的傳遞[7-9]。本文采用驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)前輪進(jìn)行放氣，通過降低胎壓減小輪胎剛度。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可通過選擇不同輪胎規(guī)格進(jìn)行剛度匹配。測(cè)試前軸簧下偏頻，降低胎壓后，前軸簧下偏頻由11.3 Hz下降為10.3 Hz。同樣以60 km/h勻速行駛、不開空調(diào)為評(píng)價(jià)工況，對(duì)降低胎壓后狀態(tài)噪聲進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，車內(nèi)C計(jì)權(quán)噪聲測(cè)量值見表2；駕駛區(qū)和后排噪聲頻譜對(duì)比如圖2所示。對(duì)比表1和表2可知，降低胎壓后，駕駛區(qū)、前排及后排噪聲均有明顯下降，后排噪聲最大降低4.5 dB(C)。

表2 降低胎壓后噪聲測(cè)量值 dB(C)

圖2 降低胎壓前后噪聲頻譜對(duì)比

2.2 頂蓋骨架優(yōu)化

頂蓋骨架呼吸模態(tài)對(duì)車內(nèi)行駛轟鳴產(chǎn)生直接影響，因此對(duì)頂蓋骨架進(jìn)行優(yōu)化，采用模態(tài)分離方法，使頂蓋呼吸模態(tài)與簧下共振頻率分離，并盡可能減小頂蓋骨架振動(dòng)。考慮對(duì)頂蓋骨架進(jìn)行加強(qiáng)，將模態(tài)頻率往上移。改進(jìn)方案見圖3。方案1：增加1根大弧桿和2根小弧桿，即回風(fēng)口大弧桿處增加1根同規(guī)格大弧桿(60 mm×40 mm×2.5 mm)，與原大弧桿合并；兩邊相鄰大弧桿中間各增加1根小弧桿(40 mm×30 mm×2.0 mm)；方案2：增加1根大弧桿和7根小弧桿，即回風(fēng)口大弧桿處增加1根同規(guī)格(60 mm×40 mm×2.5 mm)大弧桿，與原大弧桿合并，整個(gè)頂蓋各大弧桿之間均增加1根小弧桿(40 mm×30 mm×2.0 mm)；方案3：增加7根小弧桿，即整個(gè)頂蓋各大弧桿之間均增加1根小弧桿(40 mm×30 mm×2.0 mm)。

圖3 改進(jìn)方案示意圖

原狀態(tài)頂蓋骨架一階呼吸模態(tài)實(shí)測(cè)值為11.9 Hz，仿真計(jì)算結(jié)果為11.84 Hz，說明仿真模型滿足精度要求。對(duì)以上3個(gè)方案進(jìn)行仿真分析，有關(guān)仿真結(jié)果見表3。由表3可知，方案2的頂蓋骨架呼吸模態(tài)頻率與簧下共振頻率分離最徹底；方案3模態(tài)位移最小；關(guān)鍵點(diǎn)振動(dòng)和噪聲響應(yīng)結(jié)果中，方案2和方案3回風(fēng)口加速度響應(yīng)差別不大，且方案3綜合車內(nèi)C計(jì)權(quán)噪聲響應(yīng)最小。另外，考慮到成本及車身重量增加，最終采用方案3。

表3 CAE仿真結(jié)果

按照方案3，對(duì)頂蓋骨架進(jìn)行整改后，同樣進(jìn)行60 km/h勻速行駛、不開空調(diào)試驗(yàn)，其噪聲測(cè)量結(jié)果見表4和圖4。頂蓋骨架整改后，車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)C計(jì)權(quán)總噪聲下降2.8～5.9 dB(C)，低頻最大峰值明顯降低，峰值頻率由12.0 Hz變?yōu)?3.5 Hz,總體降噪效果明顯。

表4 頂蓋骨架整改后噪聲測(cè)量值 dB(C)

圖4 骨架改進(jìn)前后噪聲頻譜對(duì)比

2.3 懸架系統(tǒng)優(yōu)化

懸架系統(tǒng)的改進(jìn)主要是為了降低路面激勵(lì)對(duì)車身的沖擊。相同路面激勵(lì)情況下，空氣彈簧懸架對(duì)路面激勵(lì)的衰減比板簧結(jié)構(gòu)懸架更有優(yōu)勢(shì)，可以采用空氣彈簧懸架替代板簧結(jié)構(gòu)懸架的方案，達(dá)到降低路面激勵(lì)對(duì)車身的影響[10]。但是由于成本及客戶需求，有時(shí)無法使用空氣彈簧懸架。為進(jìn)一步降低車內(nèi)轟鳴聲，在頂蓋骨架優(yōu)化后的狀態(tài)下，對(duì)板簧懸架的優(yōu)化進(jìn)行了探索，匹配小剛度板簧，分別驗(yàn)證60 km/h勻速行駛、不開空調(diào)時(shí)各狀態(tài)下車內(nèi)C計(jì)權(quán)噪聲的變化情況，結(jié)果見表5。4種狀態(tài)分別為狀態(tài)1：小剛度板簧+輔助小氣囊結(jié)構(gòu)+原減震器；狀態(tài)2：小剛度板簧+原減震器；狀態(tài)3：小剛度板簧+某液壓減震器；狀態(tài)4：小剛度板簧+某氣壓減震器。

表5 各懸架方案噪聲測(cè)試對(duì)比 dB(C)

由表5可知，4種狀態(tài)下，車內(nèi)噪聲均有不同程度降低，通過減小懸架剛度，降低路面激勵(lì)對(duì)車內(nèi)轟鳴聲的影響是有效的，與理論分析一致。由于車身穩(wěn)定性要求，板簧剛度減小值受到限制。本次懸架優(yōu)化后，60 km/h勻速行駛、不開空調(diào)工況，轟鳴聲最突出的駕駛區(qū)和后排最大降低了1 dB(C)，狀態(tài)3綜合降噪效果最好，駕駛員和后排兩個(gè)位置噪聲分別降低0.8 dB(C) 和1.0 dB(C)。

3 結(jié)束語

本文基于傳遞路徑分析方法，改善輪胎、懸架、頂蓋骨架等激勵(lì)的傳遞，優(yōu)化頂蓋骨架模態(tài)，使頂蓋骨架模態(tài)與車身聲腔模態(tài)盡可能分離，有效地降低了客車行駛轟鳴聲。在設(shè)計(jì)開發(fā)階段，建議頂蓋骨架一階呼吸模態(tài)頻率與簧下共振頻率至少相隔2 Hz，可有效降低行駛過程車內(nèi)低頻轟鳴聲。