某車(chē)型加速車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：汽車(chē)懸架、動(dòng)力總成安裝點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)車(chē)身傳遞特性有著非常大的影響。針對(duì)某款乘用車(chē)在研發(fā)路試階段主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)的加速車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)實(shí)車(chē)及臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析，確認(rèn)問(wèn)題原因主要來(lái)自于后懸置隔振率不足，采用仿真手段優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，并對(duì)改進(jìn)后方案進(jìn)行實(shí)車(chē)效果驗(yàn)證。測(cè)試效果表明，優(yōu)化后的動(dòng)力總成后懸置支架使得車(chē)內(nèi)噪聲降低2 dB（A）。研究結(jié)論豐富了車(chē)輛懸置安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及低靈敏度車(chē)身設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：后懸置支架；加速噪聲；仿真分析；車(chē)身靈敏度；懸置安裝系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.82+1" 收稿日期：2023-09-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.004

1 前言

車(chē)輛在行駛過(guò)程中受到各種振動(dòng)激勵(lì)，包括動(dòng)力總成的激勵(lì)、傳動(dòng)系激勵(lì)及輪胎/路面的激勵(lì)等。為了降低傳遞到乘員艙的振動(dòng)，各種激勵(lì)源與車(chē)身之間一般通過(guò)彈性元件連接，這些彈性元件構(gòu)成了車(chē)輛NVH性能必不可少的懸置系統(tǒng)。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)便是一種典型的應(yīng)用。懸置由中間的彈性元件和兩側(cè)的懸置骨架組成。兩側(cè)骨架用于將懸置連接至車(chē)身，骨架本身應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)原則以避免產(chǎn)生共振。動(dòng)力總成的激勵(lì)力通過(guò)懸置傳遞到車(chē)身，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[3]給出了力的傳遞計(jì)算公式推導(dǎo)，文獻(xiàn)[2-5]的研究認(rèn)為工程實(shí)踐中懸置力隔振率應(yīng)以20 dB為設(shè)計(jì)目標(biāo)。懸置骨架與車(chē)身連接后的隔振性能取決于雙方的剛度匹配，如何考慮兩個(gè)結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計(jì)原則，是工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]在試驗(yàn)過(guò)程中證明提高隔振率對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)、噪聲均有改善，但未進(jìn)一步展開(kāi)分析。

本文將懸置骨架與車(chē)身作為子系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合樣車(chē)開(kāi)展問(wèn)題診斷，并通過(guò)有限元仿真分析對(duì)后懸置支架進(jìn)行優(yōu)化，有效地解決了實(shí)際工程問(wèn)題，最后得出車(chē)輛開(kāi)發(fā)中懸置安裝系統(tǒng)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及原則。

2 問(wèn)題診斷

2.1 試驗(yàn)分析

某車(chē)型試驗(yàn)樣車(chē)存在加速工況車(chē)內(nèi)噪聲大的問(wèn)題，4階峰值達(dá)到74.4 dB（A），問(wèn)題轉(zhuǎn)速為3 000～4 500 r/min圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲總值以及4階噪聲測(cè)試結(jié)果，圖2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲Colormap圖。

為確定問(wèn)題路徑，將動(dòng)力總成后懸置脫開(kāi)進(jìn)行測(cè)試，車(chē)內(nèi)噪聲總值最大可降低3.4 dB（A），如圖3所示。后懸置脫開(kāi)Overall噪聲測(cè)試結(jié)果，如圖4所示，可以看出，4階噪聲最大值降低10 dB（A）。

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，動(dòng)力總成激勵(lì)經(jīng)由后懸置傳遞至人耳為重要結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑。試驗(yàn)對(duì)比分析了問(wèn)題樣車(chē)與目標(biāo)車(chē)的懸置主動(dòng)端振動(dòng)，圖5所示為測(cè)試結(jié)果的比較情況，結(jié)果表明樣車(chē)主動(dòng)端的振動(dòng)明顯低于目標(biāo)車(chē)。由此可見(jiàn)，后懸置隔振率不足是樣車(chē)加速車(chē)內(nèi)噪聲大的重要原因之一。

2.2 隔振機(jī)理分析

動(dòng)力總成振動(dòng)由懸置隔振系統(tǒng)衰減后傳遞到車(chē)身，工程上采用隔振率指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)懸置系統(tǒng)的隔振性能。隔振率[5]的計(jì)算公式為：

[TdB=20lgaaap]" " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，[TdB]為隔振率；[aa]為主動(dòng)側(cè)的加速度；[ap]為被動(dòng)側(cè)的加速度。[TdB]越大，表明隔振性能越好。由于激勵(lì)引起的振動(dòng)主方向?yàn)榇瓜?，因此本文將Z方向的振動(dòng)傳遞率作為隔振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本文中后懸置支架結(jié)構(gòu)聲傳遞路徑為動(dòng)力總成激勵(lì)-主動(dòng)側(cè)支架-后懸置-車(chē)身側(cè)支架-車(chē)身，如圖6所示。動(dòng)力總成隔振性能的優(yōu)劣取決于隔振系統(tǒng)的阻尼和動(dòng)剛度，以及兩側(cè)懸置安裝支架的動(dòng)剛度。

基于以上分析，可以從懸置橡膠軟墊、發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)和車(chē)身側(cè)兩個(gè)懸置支架等三個(gè)方面考慮提升隔振率。a.懸置橡膠軟墊是隔振主要部件，其核心指標(biāo)就是剛度。若想得到較高的隔振率，懸置需要高的導(dǎo)納，意味橡膠要足夠軟，但工程實(shí)際中為了滿足動(dòng)力總成的安裝、限位、疲勞壽命等其他性能要求，懸置的導(dǎo)納只能在一定范圍內(nèi)加大。本文中的問(wèn)題樣車(chē)后懸置本身的動(dòng)剛度為411 N/mm（@200 Hz），目標(biāo)樣車(chē)后懸置動(dòng)剛度為590 N/mm（@200 Hz），問(wèn)題車(chē)后懸置更軟，因此不宜考慮作為優(yōu)化方向。b.已知發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)側(cè)支架為鑄件，且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其剛度可滿足隔振要求。c.考慮通過(guò)提升后懸置被動(dòng)側(cè)連接剛度來(lái)提升隔振性能。

3 仿真優(yōu)化

有限元分析技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，特別是在車(chē)身的結(jié)構(gòu)NVH分析、強(qiáng)度、剛度等方面發(fā)揮了重要作用，可減少設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)周期。本文將采用有限元仿真技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)車(chē)身結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)。為提升懸置的隔振性能，將懸置支架與車(chē)身視為一個(gè)子系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)動(dòng)剛度開(kāi)展優(yōu)化分析。動(dòng)剛度是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力，表征結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下抵抗變形的能力，安裝點(diǎn)動(dòng)剛度越大，傳遞至車(chē)身的能量越小。

3.1 改進(jìn)方案確定

后懸置與車(chē)身組成的子系統(tǒng)連接點(diǎn)動(dòng)剛度優(yōu)化方向有以下幾種：

a.提升車(chē)身局部剛度，如布置加強(qiáng)梁、改變鈑金厚度或截面形狀、局部增加加強(qiáng)板等。

b.提升懸置支架剛度，如更改懸置支架材料性質(zhì)、優(yōu)化支架加強(qiáng)筋布置等。

c.提升支架與車(chē)身連接剛度，如增加懸置支架與車(chē)身連接點(diǎn)個(gè)數(shù)、增加連接面接觸面積等。

在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)后期的實(shí)車(chē)驗(yàn)證階段，車(chē)身設(shè)變會(huì)涉及模具更改等費(fèi)用，帶來(lái)較大的成本及周期代價(jià)。同時(shí)由于布置及裝配等約束，后懸置支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間有限，基于以上原因考慮通過(guò)將懸置骨架加寬，增加與車(chē)身連接點(diǎn)的方案，達(dá)成子系統(tǒng)提高動(dòng)剛度的目的。

基于上述改進(jìn)方向分析，確定改進(jìn)方案如下：

將后懸置支架與車(chē)身連螺栓由4個(gè)增加至6個(gè)，新增連接點(diǎn)設(shè)置在剛度較大的車(chē)身縱梁上，如圖7所示?？紤]與周?chē)悴考母缮娴燃s束條件，后懸置支架的初步優(yōu)化方案如圖8所示。

3.2 有限元模型搭建

采用HyperWorks軟件，建立子系統(tǒng)動(dòng)剛度分析有限元模型。其中白車(chē)身采用四邊形殼單元（CQUAD4）和三角形殼單元（CTRIA3）劃分網(wǎng)格，通過(guò)焊點(diǎn)、螺栓、粘膠等方式進(jìn)行組裝。懸置支架采用二階四面體網(wǎng)格建立，與車(chē)身通過(guò)螺栓連接固定，得到子系統(tǒng)動(dòng)剛度分析的基礎(chǔ)模型，如圖9所示。

3.3 支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)約束、載荷及優(yōu)化目標(biāo)而尋求結(jié)構(gòu)材料最佳分配的優(yōu)化方法，在滿足約束條件的前提下使結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量特性得到優(yōu)化配置[7-8]。

根據(jù)支架與車(chē)身、懸置裝配關(guān)系選定優(yōu)化區(qū)域，設(shè)定支架固有頻率大于500 Hz為約束條件，以支架單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量、總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)改進(jìn)后懸置支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析。圖10為優(yōu)化迭代完成后的單元密度分布云圖，可得到材料布置的優(yōu)化建議方向。在滿足排氣、布置及裝配等條件下，考慮工藝成形等因素，由設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，得到圖11所示改進(jìn)后的后懸置支架方案。

3.4 改進(jìn)方案動(dòng)剛度分析

為了考察發(fā)動(dòng)機(jī)支架結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)改進(jìn)前后的支架分別進(jìn)行動(dòng)剛度分析。

在白車(chē)身自由狀態(tài)下，在子系統(tǒng)接附點(diǎn)處施加動(dòng)態(tài)單位激勵(lì)力，以其本身接附點(diǎn)同時(shí)作為響應(yīng)點(diǎn)。運(yùn)用單位激勵(lì)頻率響應(yīng)計(jì)算法分析動(dòng)剛度，計(jì)算頻率為20～500 Hz，輸出形式為加速度曲線。

圖12所示為改進(jìn)前后的加速度對(duì)比情況，可以看出優(yōu)化后原點(diǎn)加速度在各頻率段均明顯下降。通過(guò)軟件求解得到改進(jìn)方案懸置支架中心點(diǎn)等效動(dòng)剛度由2 107 N/mm提升至4 026 N/mm，提升幅度高達(dá)91%。

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證分析

基于仿真分析結(jié)果，對(duì)改進(jìn)后的后懸置支架進(jìn)行樣件試制，并重新進(jìn)行測(cè)試，如圖13所示。圖14所示為測(cè)試結(jié)果，可以看出加速工況車(chē)內(nèi)噪聲最大降低2 dB（A）。

5 結(jié)語(yǔ)

提高后懸置車(chē)身側(cè)連接點(diǎn)動(dòng)剛度，可使隔振效率得到提升，由此降低激勵(lì)通過(guò)后懸置向車(chē)身的傳遞，最終達(dá)到有效降低車(chē)內(nèi)噪聲的目的。在車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中懸置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)要素：

a.安裝點(diǎn)動(dòng)剛度應(yīng)達(dá)到市場(chǎng)上同級(jí)別競(jìng)品車(chē)水平，使得傳遞的振動(dòng)盡量小。

b.子系統(tǒng)連接點(diǎn)目標(biāo)的設(shè)定需同步考慮懸置導(dǎo)納。

c.考慮懸置的隔振指標(biāo)達(dá)成，應(yīng)將懸置支架與車(chē)身視為一個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)動(dòng)剛度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，制定兩部分的結(jié)構(gòu)方案。

d.支架一階約束模態(tài)頻率目標(biāo)為500 Hz，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)，可為支架結(jié)構(gòu)合理化改進(jìn)提供行之有效的方案。

e.對(duì)于懸置支架安裝結(jié)構(gòu)的位置選擇、整體方案的設(shè)計(jì)應(yīng)在設(shè)計(jì)的初期就給予充分的考慮。

統(tǒng)籌考慮到項(xiàng)目后期車(chē)身及支架更改約束條件較多，下一步將通過(guò)增加吸振器的措施，進(jìn)一步改善車(chē)內(nèi)噪聲水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]Bijwe V B，Billade D B，Subir D S，et al.CAE Analysis of Dynamic Stiffness and NTF of Exhaust Attachment Point for NVH Improvement[J].SAE，2009-26-062.

[3]David H.Frequency Domain Considerations in Vehicle Design for Optimal Structural Feel[J].SAE，2000-01-1344.

[4]James A，Cogswell II.Mechanical Mobility Relationship to the Dynamic Properties of the Structure–Borne Vibration Path within the Power Train and Vehicle[J].SAE，2000-01-1344.

[5]Vinod K S，Nitin W，Vincent D，et al.Powertrain Transfer Path Analysis of a Truck[J].SAE，2001-01-2817.

[6]章超.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)隔振研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[7]芮強(qiáng)，王紅巖，王良曦.多工況載荷下動(dòng)力艙支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào)，2010，31（6）：782-786.

[8]周安勇，侯蕾，劉旌揚(yáng).白車(chē)身接附點(diǎn)動(dòng)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)技術(shù)，2013（6）：16-19.

作者簡(jiǎn)介：

馬玉婷，女，1985年生，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)身NVH仿真控制及驗(yàn)證。