某輕型客車加速轟鳴問題優(yōu)化分析

胡顯能，彭 榮，李 軍，徐高新，陳慈龍，鐘秤平

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330001）

隨著現(xiàn)代生活水平的提高，消費(fèi)者對汽車的要求不再局限于純粹的代步工具，越來越多的消費(fèi)者開始關(guān)注汽車的駕駛樂趣和乘坐品質(zhì)，而汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能在行駛過程中能夠給予消費(fèi)者最直觀的感受，因此，NVH性能已逐漸成為評價(jià)汽車品質(zhì)的重要指標(biāo)。

汽車噪聲振動通常分為正常噪聲振動和異常噪聲振動，在控制汽車NVH性能過程中，除了需要運(yùn)用傳統(tǒng)的方法對正常的噪聲振動進(jìn)行優(yōu)化外，還需要采用合適的方法對異常噪聲進(jìn)行抑制。異常噪聲產(chǎn)生的原因較復(fù)雜，既有零部件質(zhì)量的原因，也有其他設(shè)計(jì)方面的原因。為解決不同類型的異常噪聲，國內(nèi)研究學(xué)者已針對該問題進(jìn)行深入研究分析。謝旭等針對某車型加速聲品質(zhì)差的問題，將階次分析法和模態(tài)試驗(yàn)分析方法相結(jié)合，通過對副車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對整車加速車內(nèi)聲品質(zhì)的優(yōu)化；王雙等針對開發(fā)車型中存在加速轟鳴音問題，運(yùn)用傳遞路徑分析方法確定問題來源于懸置系統(tǒng)，并對懸置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)車內(nèi)聲品質(zhì)的優(yōu)化。

本文針對某輕型客車開發(fā)階段，全油門加速工況下2 900 r/min～3 200 r/min轉(zhuǎn)速附近車內(nèi)存在轟鳴問題進(jìn)行研究。確定引起加速轟鳴問題的原因，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析方法對引起轟鳴問題的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出可工程化的解決措施，從而實(shí)現(xiàn)對加速轟鳴問題的改善。

1 問題描述

樣車開發(fā)階段，在對整車主觀駕駛評價(jià)的過程中，發(fā)現(xiàn)在全油門加速工況下，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2 900 r/min～3 200 r/min附近時(shí)車內(nèi)存在明顯的轟鳴噪聲，嚴(yán)重影響整車行駛過程中的乘車品質(zhì)。為識別引起加速轟鳴的原因，采用西門子工業(yè)振動、噪聲測試設(shè)備（LMS）對加速過程中試驗(yàn)樣車主駕駛員外耳的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，測試過程中的工況為五擋全油門加速工況。測試分析得出主駕駛員外耳的噪聲曲線如圖1所示。

圖1 加速過程中車內(nèi)前排噪聲聲壓級測試結(jié)果

根據(jù)圖1的測試結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 900 r/min～3 200 r/min附近時(shí)駕駛員外耳噪聲總聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化趨勢與發(fā)動機(jī)二階噪聲聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化趨勢相吻合，確定加速轟鳴噪聲與發(fā)動機(jī)激勵(lì)相關(guān)；且在怠加速工況下，車內(nèi)轟鳴問題同樣存在，排除動力傳動系與轟鳴問題之間的聯(lián)系。初步判斷為整車上某附件與發(fā)動機(jī)二階激勵(lì)頻率共振放大引起車內(nèi)轟鳴問題。

為識別出引起轟鳴的問題頻率，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系計(jì)算問題頻率。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速與頻率之間的計(jì)算式為

式中，為頻率，Hz；為轉(zhuǎn)速，r/min；為階次。

試驗(yàn)樣車搭載的為四缸四沖程的發(fā)動機(jī)，依據(jù)相關(guān)的參數(shù)計(jì)算得出引起加速轟鳴的問題頻率為96 Hz～107 Hz。

2 問題排查及分析

前期排查過程中，分別斷開空調(diào)管路、端起空濾以及斷開排氣吊耳等方案，車內(nèi)轟鳴均無明顯優(yōu)化。初步判定加速轟鳴問題與空調(diào)管路以及進(jìn)排氣系統(tǒng)無關(guān)。

聲音的傳遞方式分為結(jié)構(gòu)傳遞和空氣傳遞。結(jié)合前期排查的結(jié)果以及引起問題的頻率，可以確定轟鳴噪聲的傳遞方式為結(jié)構(gòu)傳遞。因此，為識別出引起加速轟鳴的結(jié)構(gòu)件，分別對懸置系統(tǒng)以及車身系統(tǒng)這兩條傳遞路徑進(jìn)行排查。

2.1 懸置傳遞路徑分析

懸置系統(tǒng)是汽車動力總成與車身系統(tǒng)連接的主要橋梁，同時(shí)也是將發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的噪聲、振動傳遞至車內(nèi)的主要傳遞路徑。因此，為確定加速轟鳴問題與懸置系統(tǒng)是否有關(guān)系，需要對懸置傳遞路徑進(jìn)行排查。

試驗(yàn)樣車動力總成布置方式為縱置布置，且懸置系統(tǒng)布置方式為三點(diǎn)式，分別在發(fā)動機(jī)左、右懸置以及變速箱懸置的被動端布置三相振動傳感器，同時(shí)車內(nèi)主駕外耳布置麥克風(fēng)；測試五擋全油門加速工況下的噪聲振動數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2 加速工況下車內(nèi)噪聲及懸置被動端振動頻圖

由圖2的車內(nèi)噪聲及懸置系統(tǒng)被動端振動的頻譜圖可知，發(fā)動機(jī)變速箱懸置被動端的振動與車內(nèi)噪聲無明顯對應(yīng)關(guān)系，僅發(fā)動機(jī)左右懸置被動端向振動與車內(nèi)噪聲曲線存在一定的對應(yīng)關(guān)系，說明發(fā)動機(jī)左、右懸置可能是潛在的影響因子。

為進(jìn)一步確認(rèn)加速轟鳴是否由發(fā)動機(jī)左、右懸置傳遞路徑引起，分析各懸置隔振的水平，結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)左右懸置主、被動端隔振量曲線結(jié)果

根據(jù)圖3的分析結(jié)果可知，加速過程中發(fā)動機(jī)左、右懸置主被動端向隔振量均達(dá)到目標(biāo)隔振量20 dB，進(jìn)而排除發(fā)動機(jī)左、右懸置是引起加速轟鳴的關(guān)鍵因素。

2.2 車身橫梁傳遞路徑分析

車身結(jié)構(gòu)附件固有頻率與發(fā)動機(jī)激勵(lì)頻率耦合共振放大是引起汽車加速轟鳴問題的重要原因之一。根據(jù)以往車身附件固有頻率測試的經(jīng)驗(yàn)，對試驗(yàn)樣車的車身前保橫梁進(jìn)行排查分析。

為辨別加速轟鳴問題是否由車身前保橫梁與發(fā)動機(jī)激勵(lì)頻率耦合共振引起，對測試加速過程中車身前保橫梁的振動數(shù)據(jù)以及車內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 車內(nèi)噪聲及車身前保橫梁振動曲線圖

圖4的分析結(jié)果表明，車身前保橫梁的振動數(shù)據(jù)與車內(nèi)噪聲存在一定對應(yīng)關(guān)系。為進(jìn)一步判斷車身前保橫梁是否導(dǎo)致加速轟鳴的關(guān)鍵因素，在車身前保橫梁上加10 kg重量的磁鐵進(jìn)行驗(yàn)證，車身前保橫梁附加質(zhì)量如圖5所示。測試分析得到的結(jié)果如圖6所示。

圖5 車身前保橫梁加磁鐵附圖

圖6 加磁鐵前、后車內(nèi)噪聲及橫梁Z向振動對比

圖6中實(shí)線為基礎(chǔ)狀態(tài)測試結(jié)果，虛線為橫梁加磁鐵狀態(tài)測試結(jié)果。對比兩種狀態(tài)的測試結(jié)果可知，附加磁鐵后在2 900 r/min～3 200 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間車內(nèi)噪聲總聲壓級以及二階噪聲聲壓級相較于基礎(chǔ)狀態(tài)優(yōu)化了5 dB(A)～6 dB(A)，橫梁向振動相較于基礎(chǔ)狀態(tài)降低了0.1～0.2；且主觀評估轟鳴問題優(yōu)化明顯可接受，進(jìn)而鎖定車身前保橫梁為導(dǎo)致轟鳴問題的關(guān)鍵因子。

2.3 響應(yīng)分析

為能夠從工程化的角度進(jìn)一步優(yōu)化該問題，仍然需要識別車身前保橫梁的固有頻率以及其它響應(yīng)的附件。

對車身前端進(jìn)行模態(tài)測試，同時(shí)對左前車門板中心、擋風(fēng)玻璃中心到車內(nèi)的噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function, NTF）進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 試驗(yàn)樣車前端模態(tài)振型圖

由圖7、圖8的測試結(jié)果可得，車身前保橫梁在104 Hz附近存在局部向彎曲的模態(tài)，而且左前門及前玻璃處存在105 Hz附近的響應(yīng)頻率。進(jìn)而識別出加速轟鳴的傳遞路徑為源頭（發(fā)動機(jī)）—路徑（車身前保橫梁—前玻璃和左前門）—響應(yīng)（車內(nèi)噪音）。

圖8 激勵(lì)左門、擋風(fēng)玻璃到車內(nèi)的噪聲頻響測試結(jié)果

3 轟鳴問題優(yōu)化

3.1 工程方案的提出

因車身前保橫梁涉及安全法規(guī)等問題，直接提升剛度來改變固有頻率存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，所以需要借助動力吸振器弱化問題頻率的能量，來間接優(yōu)化加速轟鳴問題。但直接在車身前保橫梁安裝動力吸振器會存在因安裝點(diǎn)剛度不足而導(dǎo)致動力吸振器安裝的頻率與實(shí)際設(shè)計(jì)頻率差異較大，不能達(dá)到弱化問題頻率能量的效果。

為滿足要求，需要在安裝動力吸振器之前提升車身前保橫梁的局部剛度，使得動力吸振器的整車頻率達(dá)到問題頻率，動力吸振器才能起到減振作用。因此，初步的工程方案為在車身前保橫梁內(nèi)部局部點(diǎn)焊加強(qiáng)焊板，并在加強(qiáng)處安裝整車頻率為（99.5±5.5）Hz的動力吸振器。

3.2 仿真分析

為驗(yàn)證車身前保橫梁局部加強(qiáng)提升動剛度的有效性，借助CAE對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。CAE分析中車身前保橫梁局部加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后原點(diǎn)動剛度仿真分析結(jié)果如圖9所示。

圖9（b）中實(shí)線為基礎(chǔ)狀態(tài)橫梁原點(diǎn)動剛度CAE分析結(jié)果，虛線為橫梁局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)狀態(tài)橫梁原點(diǎn)動剛度CAE分析結(jié)果。對比兩次分析結(jié)果可得，局部加強(qiáng)后原點(diǎn)動剛度相較基礎(chǔ)狀態(tài)得到顯著的提升，尤其是在100 Hz以后，進(jìn)而驗(yàn)證車身前保橫梁局部加強(qiáng)對于原點(diǎn)動剛度的提升具有一定的可行性。

圖9 局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)附圖及原點(diǎn)動剛度分析結(jié)果

3.3 試驗(yàn)分析及驗(yàn)證

為驗(yàn)證CAE仿真分析結(jié)果與整車加強(qiáng)效果是否具有一致性，在試驗(yàn)樣車車身前保橫梁局部加強(qiáng)的基礎(chǔ)上安裝95 Hz的動力吸振器，并采用敲擊法測試該動力吸振器的頻響曲線，測試附圖如圖10所示，測試結(jié)果如圖11所示。

圖10 動力吸振器頻響測試附圖

圖11 動力吸振器頻響測試結(jié)果

根據(jù)動力吸振器頻響曲線的測試結(jié)果表明，動力吸振器安裝在整車上的頻率與實(shí)際頻率相吻合，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果與實(shí)際加強(qiáng)效果的一致性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證車身前保橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于改善加速轟鳴問題的有效性，進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，采集五擋全油門加速工況下車內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)，并與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖12所示。

圖12 優(yōu)化前后車內(nèi)噪聲對比結(jié)果

圖12(a)中1、2號線分別為基礎(chǔ)狀態(tài)下車內(nèi)整體噪聲和二階噪聲測試結(jié)果，3、4號線分別為優(yōu)化狀態(tài)后車內(nèi)整體噪聲和二階噪聲測試結(jié)果。對比分析兩種測試結(jié)果可知，優(yōu)化后的車身前保橫梁結(jié)構(gòu)在配合動力吸振器的作用對加速過程中車內(nèi)的轟鳴噪聲進(jìn)行了改善，其中在2 900 r/min～3 200 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)車內(nèi)整體噪聲聲壓級和二階噪聲水平均優(yōu)化約5 dB（A），且乘員主觀駕評完全可以接受，進(jìn)而驗(yàn)證本研究加速轟鳴優(yōu)化方法的有效性。

4 結(jié)論

（1）采用源、傳遞路徑以及響應(yīng)分析方法，確定引起加速車內(nèi)轟鳴問題的原因是由車身前保橫梁的固有頻率與發(fā)動機(jī)二階激勵(lì)頻率共振引起。

（2）針對車身前保橫梁不滿足動力吸振器安裝剛度要求的問題，提出在動力吸振器安裝區(qū)域進(jìn)行局部點(diǎn)焊加強(qiáng)焊板來提升剛度；并綜合CAE仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證該方法的可行性。

（3）通過對實(shí)車道路測試進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明本文提出的加速轟鳴優(yōu)化方案相較于基礎(chǔ)狀態(tài)，車內(nèi)整體噪聲聲壓級以及車內(nèi)二階噪聲聲壓級均有約5 dB（A）的優(yōu)化，且主觀可以接受。