毛 杰，朱 凌，劉顯臣，彭 鴻，郭志偉，黃新華

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

基于P/T靈敏度預測車內(nèi)轟鳴噪聲

毛 杰，朱 凌，劉顯臣，彭 鴻，郭志偉，黃新華

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

搭建某車型的整車有限元模型，并對動力總成的當量模型進行詳細說明。基于P/T靈敏度方法計算動力總成質(zhì)心扭矩激勵下的車內(nèi)噪聲，發(fā)現(xiàn)其在3 350 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)超出目標線，存在轟鳴風險。為驗證該方法的有效性和可靠性，進行3檔WOT工況下車內(nèi)噪聲測試，結(jié)果顯示在上述轉(zhuǎn)速帶內(nèi)存在轟鳴現(xiàn)象，從而證明了P/T靈敏度方法的正確性。

聲學；P/T靈敏度；轟鳴；動力總成當量模型

汽車輕量化設(shè)計是現(xiàn)階段汽車研發(fā)的方向，但與NVH性能是一對矛盾體，一些關(guān)鍵區(qū)域的鈑金件厚度減薄將惡化車內(nèi)的振聲性能，易引起車內(nèi)轟鳴噪聲。所謂轟鳴，即當汽車以某些特定的速度行駛或者發(fā)動機以某些特定的轉(zhuǎn)速運行時，在車內(nèi)出現(xiàn)明顯聲壓級峰值，嚴重影響車內(nèi)聲學品質(zhì)。

轟鳴屬于低頻噪聲，頻率范圍通常在200 Hz以下，根據(jù)激勵方式的不同可以分為發(fā)動機怠速轟鳴（20 Hz～35 Hz）、發(fā)動機 WOT（Wide-open throttle）轟鳴（200 Hz以下）、傳動系統(tǒng)轟鳴（30 Hz～80 Hz）、排氣系統(tǒng)轟鳴（20 Hz～100 Hz）、路噪轟鳴（20 Hz～100 Hz）、車身轟鳴（關(guān)注聲腔模態(tài)頻率附近的鈑金件整體模態(tài)，1階聲腔模態(tài)為50Hz～60Hz、2階為100～110Hz）[1]。在上述問題中，發(fā)動機WOT轟鳴由于工況惡劣、激勵大且頻域?qū)?，是整車開發(fā)過程中最易出現(xiàn)且最難解決的NVH問題之一。為此，如何在設(shè)計階段實現(xiàn)車內(nèi)轟鳴的有效預測與風險控制，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的問題。

在乘用車轟鳴問題研究方面，趙靜等基于試驗分析了某型轎車車內(nèi)轟鳴的特性、發(fā)動機隔振特性、車內(nèi)各壁板的振動特性以及頂棚模態(tài)試驗和空腔聲學模態(tài)，明確該轟鳴由發(fā)動機2階振動通過懸置傳遞到車身并使頂棚和空腔模態(tài)發(fā)生耦合引發(fā)，通過加強頂棚剛度來抑制振幅以控制轟鳴[2]。閆碩等研究了某款SUV怠速車內(nèi)低頻轟鳴機理，采用仿真與試驗結(jié)合的手段確定轟鳴產(chǎn)生的根源，并通過加厚前風擋玻璃使轟鳴幅值降低16.6 dB(A)[3]。谷玉川等通過整車車內(nèi)噪聲測試并對副車架進行模態(tài)分析，明確2 400 r/min附近轟鳴來自發(fā)動機2階激勵與前副車架第1階模態(tài)發(fā)生共振，進而設(shè)計動力吸振器以抑制前副車架的共振，改善整車NVH特性[4]。

雖然業(yè)內(nèi)研發(fā)人員已對車內(nèi)轟鳴開展了許多工作，但從上述工作中可以看到，轟鳴問題都是在實車階段暴露出來，而如何在設(shè)計開發(fā)階段對轟鳴風險進行有效預測和控制是一個亟待解決的難題。在設(shè)計過程中，由于缺乏基于樣車以開展激勵采集，無法求解整車WOT工況下的車內(nèi)聲學響應，即無法預知WOT轟鳴風險。針對這個問題，文中采用P/T聲學靈敏度和聲學有限元方法，在動力總成質(zhì)心加載繞曲軸軸線的寬頻力矩，基于模態(tài)疊加法提取駕駛員耳旁的聲壓級，評估是否存在具有轟鳴風險的轉(zhuǎn)速帶。最后，通過試驗驗證上述轉(zhuǎn)速帶是否實存在轟鳴問題，用來驗證分析方法的有效性和可靠性。

1 分析理論

1.1 聲學有限元方法

聲學有限元方法是汽車低頻分析的常規(guī)方法，其總方程為[5]

式中Qi為輸入的聲源向量；Vni為輸入的聲質(zhì)點法向速度向量，即聲質(zhì)點法向速度邊界條件；Pi為輸入的聲壓向量，即聲壓邊界條件；Fai為聲學激勵；pi為求解的網(wǎng)格節(jié)點聲壓；Ka+jωCa-ω2Ma為方程矩陣，為稀疏矩陣。

1.2 P/T靈敏度方法

在動力總成質(zhì)心施加一個繞曲軸軸線的寬頻力矩T，通過動力總成將激勵傳遞到車身和副車架上，進而基于一系列傳遞路徑激發(fā)車身產(chǎn)生振動，最終通過車身結(jié)構(gòu)和車內(nèi)聲腔的結(jié)構(gòu)-聲耦合，得到車內(nèi)駕駛員或乘客耳旁的聲學響應P。因此，P/T聲學靈敏度傳遞函數(shù)H(f)可以表示為[6]

式中SPT(f)為聲壓P與力矩T的互功率譜；STT(f)為力矩T的自功率譜。

2 整車與動力總成建模

整車模型包括車身、開閉件、底盤、動力總成和內(nèi)外飾等。其中，為了在保證模型精度基礎(chǔ)上提高計算效率，內(nèi)外飾系統(tǒng)以配重（質(zhì)心坐標、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等）的形式體現(xiàn)在模型中，如圖1所示。

為了有效評估動力總成扭矩激勵下的車內(nèi)聲學響應，需要對動力總成進行準確建模。一般來說，動力總成可以用以下2種方式分別建模：

(1)動力總成有限元模型。該模型可以考慮動力總成的彈性變形，同時也可以更加真實地模擬出動力總成與車身之間的相互作用。然而，這也急劇增加了整車模型的自由度，嚴重影響計算效率；

圖1 整車有限元模型

(2)動力總成當量模型。該模型包括動力總成質(zhì)心坐標、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，相較于上述有限元模型可以大幅提升計算速度，但是它無法考慮動力總成彈性模態(tài)與車身之間的耦合關(guān)系。然而，考慮到內(nèi)燃機的設(shè)計要求，一般需要保證動力總成的整體模態(tài)高于200 Hz，使得動力總成模態(tài)與發(fā)動機主諧次激勵有效解耦，避免整機共振。同時，由于整車低頻轟鳴噪聲重點關(guān)注200 Hz以下的頻段，因此，文中采用動力總成當量模型來代替有限元模型，在保證準確度的基礎(chǔ)上縮短分析周期。

動力總成當量模型如圖2所示。車型采用1.4 t四缸直列汽油機和6速手動變速器，動力總成質(zhì)量約為190 kg，通過試驗測量其轉(zhuǎn)動慣量（Ixx、Iyy、Izz）和慣性矩（Ixy、Iyz、Izx）如表1所示。

圖2 發(fā)動機當量模型

表1 發(fā)動機當量模型參數(shù)

動力總成的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量定義在其質(zhì)心坐標下，接著通過3條路徑傳遞發(fā)動機的燃燒激勵和慣性激勵：

(1)動力總成與懸置系統(tǒng)的連接。該連接將發(fā)動機激勵通過懸置傳遞到車身上，是引起車內(nèi)振聲響應的主要路徑。在建模時，需要考慮懸置的襯套動剛度，一般與靜剛度之間存在1.4倍的關(guān)系。通過試驗測取各個懸置X、Y和Z向動剛度，分別用參數(shù)K1、K2和K3表示，如表2所示。

表2 懸置動剛度參數(shù)

(2)動力總成與傳動系統(tǒng)的連接。該連接是發(fā)動機扭矩從曲軸輸出、經(jīng)過變速系統(tǒng)到驅(qū)動軸的路徑，建模如圖3所示。

機體與曲軸之間的主軸承用零長度的彈性單元模擬，并設(shè)繞曲軸方向的剛度值為10 N/mm，其他方向的剛度非常大，以此仿真曲軸的轉(zhuǎn)動。飛輪慣量定義在曲軸當量模型的另外一端，并通過多點約束（Multiple point constraint，MPC）單元模擬傳動比。由于轟鳴問題一般通過3檔WOT工況評估，在MPC單元上定義3檔和主減速器的傳動比，其值分別為1.276和4.588。

圖3 動力總成與傳動系統(tǒng)的連接建模

(3)動力總成與排氣系統(tǒng)的連接。該連接通過螺栓將前置催化器和排氣管固定，兩者之間有密封墊的作用。為了簡便起見，可以將兩者進行剛性連接。

動力總成的建模直接影響到發(fā)動機激勵的傳遞路徑，因此建模過程需要引起研發(fā)人員的重視。

3 靈敏度仿真與驗證

建模完成后，一般通過模態(tài)分析確認系統(tǒng)之間是否有連接上的問題，并通過車身和底盤模態(tài)分析，初步評估模態(tài)頻率是否在合理的范圍內(nèi)。確認整車有限元模型無誤后，可以開展動力總成質(zhì)心靈敏度的仿真計算。選取發(fā)動機質(zhì)心點為激勵點、方向為繞曲軸轉(zhuǎn)動（與曲軸轉(zhuǎn)動方向相反）的1 000 N?mm扭矩，加載頻率范圍根據(jù)實際情況而定。以本車型為例，1.4 t四缸機主諧次為2階，考慮的WOT工況下轉(zhuǎn)速為1 000 r/min～5 000 r/min，對應的2階頻段為33.3 Hz～166.7 Hz，則將此頻段作為加載掃頻范圍即可。

經(jīng)計算后，得到本車型動力總成質(zhì)心聲學靈敏度結(jié)果，如圖4所示。

圖4 駕駛員左耳動力總成質(zhì)心聲學靈敏度仿真結(jié)果

圖中實線為駕駛員左耳2階聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖，虛線為P/T靈敏度目標線（發(fā)動機固定扭矩激勵下的車內(nèi)聲壓級）。從圖中可以看到，車內(nèi)聲壓級總體上在目標線以下，但是在3 350 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的超標現(xiàn)象，該現(xiàn)象很可能引發(fā)轟鳴問題。

為了評估基于P/T靈敏度預測車內(nèi)轟鳴噪聲的有效性和可靠性，開展WOT工況下的車內(nèi)噪聲采集試驗。試驗在整車消聲室的轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進行，這樣可以排除風噪的影響，同時路噪的貢獻也會小很多。在3檔WOT工況下，開展了轉(zhuǎn)速為1 300 r/min～4 500 r/min的駕駛員左耳聲壓級測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 WOT工況下車內(nèi)噪聲測試結(jié)果

測試發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)WOT工況下噪聲總體上隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提升而增大，在3 000 r/min以下，車內(nèi)噪聲的增幅相對較為緩慢，但在3 350 r/min以上，車內(nèi)噪聲出現(xiàn)陡峭上升，最高到達3 750 r/min。與此同時，通過主觀評測發(fā)現(xiàn)，在3 350 r/min～3 750 r/min范圍內(nèi)，駕駛員耳旁出現(xiàn)明顯的轟鳴，對于人耳的壓迫感非常強，嚴重影響聲學品質(zhì)。此外，該轉(zhuǎn)速范圍與動力總成質(zhì)心靈敏度仿真的風險轉(zhuǎn)速帶非常吻合，從而證明靈敏度分析對于車內(nèi)轟鳴預測的有效性和可靠性。

4 結(jié)語

搭建某轎車整車有限元模型，評價動力總成質(zhì)心聲學靈敏度與車內(nèi)轟鳴之間的對應關(guān)系，用于在設(shè)計階段有效預測車內(nèi)轟鳴問題出現(xiàn)的風險。研究發(fā)現(xiàn)，在3 350 r/min～3 750 r/min轉(zhuǎn)速帶內(nèi)，質(zhì)心靈敏度仿真中出現(xiàn)明顯的峰值，同時在車內(nèi)噪聲測試過程中出現(xiàn)了轟鳴問題，從而驗證了文中基于P/T靈敏度預測車內(nèi)轟鳴風險的有效性和可靠性。

[1]王海濤，劉鵬，李平，等.關(guān)于某SUV車內(nèi)轟鳴聲的分析與研究[J].汽車工程學報，2012，2(6)：464-467.

[2]趙靜，周鋐，梁映珍.轎車乘坐室轟鳴聲的分析與控制研究[J].設(shè)計計算研究，2009，10：16-20.

[3]閆碩，趙云，康菲.某款SUV車內(nèi)轟鳴聲問題研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53(11)：61-63+76.

[4]谷玉川，樊帆，龍書成.應用動力吸振器降低車內(nèi)轟鳴噪聲[J].噪聲與振動控制，2014，34(2)：181-184.

[5]THOMPSON L L.A review of finite-element methods for time-harmonic acoustics[J].Journal of the Acoustical Society ofAmerica,2006,119(3):1315-1330.

[6]侯臣元，汪曉虎，王亮，等.汽車P/T靈敏度傳遞路徑分析[J].噪聲與振動控制，2015，35(5)：116-120+125.

Interior Booming Noise Prediction via P/T Sensitivity

MAOJie,ZHULing,LIU Xian-chen,PENG Hong,GUO Zhi-wei,HUANG Xin-hua
(GeelyAotumotive Research Institute(Ningbo)Co.Ltd.,Ningbo 312336,Zhejiang China)

A full-vehicle finite element model is built and the powertrain equivalent model of the vehicle is described in detail.Interior noise excited by the unit torque at the powertrain centroid is calculated using P/T(Pressure/Torque)sensitivity method.It is found that the predicted noise between 3 350 r/min and 3 750 r/min is above the target limit,which means that the booming risk exists.To validate the P/T method,an interior noise test at the 3rd gear under WOT condition is conducted.The measured results indicate that the booming problem exists in the same speed range as mentioned above,which verifies the accuracy of the P/T sensitivity method.

acoustics;P/T sensitivity;booming;powertrain equivalent model

U461.4

：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.045

1006-1355(2017)04-0223-04

2017-02-06

毛杰（1987－），男，浙江省余姚市人，博士，主要研究方向為汽車及發(fā)動機NVH仿真開發(fā)。

E-mail:maojie1987@zju.edu.cn