韋永尤，鄧聚才，陳志寧

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

軟件應用

商用車駕駛室阻尼布置位置優(yōu)化

韋永尤，鄧聚才，陳志寧

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

以某重型商用車駕駛室為分析對象，通過建立駕駛室結構有限元模型和聲學有限元模型，進行了駕駛室模態(tài)分析、頻率響應分析、駕駛室板塊貢獻量分析，計算出駕駛員右耳旁的聲壓級，找出影響駕駛員右耳旁噪聲的板塊位置，并對噪聲貢獻量大的板塊進行優(yōu)化。結果表明，通過系統(tǒng)的室內噪聲研究和改進，有效降低了某型號駕駛室室內噪聲。

商用車；駕駛室；阻尼；降噪

隨著社會的發(fā)展，人們對車輛的乘坐舒適性提出了更高的要求。駕駛室內部噪聲是車輛乘坐舒適性的一個重要指標，它將直接影響到產品的競爭力。

汽車在行駛過程中，駕駛室鈑金受到外界激勵引起的結構振動，從而向駕駛室內部輻射噪聲。試驗研究表明，對于駕駛室來說駕駛室鈑金振動輻射出來的結構低頻噪聲在駕駛室內噪聲中占主要地位[1]。因此，減小駕駛室鈑金振動是降低室內噪聲最直接的方法。通過阻尼處理來降低鈑金振動，是國內外目前普遍采用的減振降噪方法。如何有效而準確地確定阻尼材料布置位置和面積，是駕駛室內部降噪的關鍵。

本文以某重型商用車駕駛室為分析對象，介紹了阻尼材料的主要特性指標及獲得方法，建立了駕駛室結構有限元模型和聲學有限元模型，進行了駕駛室結構模態(tài)分析、聲學模態(tài)分析、頻率響應分析、駕駛室鈑金貢獻量分析，計算出駕駛員右耳旁的聲壓級，找出影響駕駛員右耳旁噪聲的板塊位置，并對噪聲貢獻量大的板塊進行優(yōu)化，采取相應措施進行降噪處理。結果表明，通過優(yōu)化商用車駕駛室阻尼布置位置，可以有效降低駕駛員右耳旁噪聲，提高整車乘坐舒適性。

1 阻尼材料

阻尼材料是利用高分子材料的粘彈性將振動機械能轉化為熱能消耗掉，從而達到減振降噪目的一種材料[2]。在汽車駕駛室鈑金上，大量采用阻尼材料來抑制鈑金共振，降低駕駛室鈑金結構的局部振動響應，從而降低室內噪聲。

阻尼材料具有儲能和耗能兩種特性，其彈性模量可用復模量模型表示[3]，即：

式中：E*為復彈性模量；E′為復彈性模量實部；E″為復彈性模量虛部；η損耗因子。

試樣材料在振動一周中單位內所損耗的能量為：

式中，ε0為最大拉伸應變。

由上式可以得出，要使振動能量耗散達到最大值，必須使ηE′的乘積為最大，阻尼材料的實模量E′和損耗因子η是評價阻尼材料的主要特性指標，這兩項指標的數(shù)值可以通過測量獲得。

2 駕駛室有限元模型建立

在HyperMesh軟件中建立駕駛室有限元模型，主要包括如下零部件：白車身、兩車門、前擋風玻璃、側窗玻璃、后窗玻璃以及相應的密封膠、阻尼板。有限元模型主要采用殼單元來模擬各個鈑金結構零件與玻璃，用實體單元來模擬密封膠和阻尼板，焊點連接采用CWELD單元，螺栓連接采用RBE2單元，縫焊連接采用RBE2單元。

在Hypermesh軟件中將駕駛室結構有限元分析模型所有孔洞封閉，導出結構有限元模型，在LMS Virtual.Lab軟件Cavity Meshing模塊進行聲腔網格劃分。為保證計算精度，對于線性有限元模型來說，要求在最小波長內有6個單元，也就是最大單元的邊長要小于最高計算頻率點處的波長的1/6[4].

3 駕駛室模態(tài)分析

模態(tài)是機械結構的固有振動特性，每一階模態(tài)都有其特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，模態(tài)可以通過計算或試驗得到。進行駕駛室結構模態(tài)分析可以確定駕駛室固有頻率是否與振源的激勵頻率接近，從而可以避免共振現(xiàn)象發(fā)生，減少駕駛室振動及噪聲。模態(tài)計算頻率高于求解的頻率上限即可。本文采用RADIOSS求解器對駕駛室結構有限元模型進行自由模態(tài)分析，計算出220 Hz以內頻率的模態(tài)頻率和振型。

聲腔模態(tài)分析可以預測聲腔模態(tài)與結構模態(tài)是否耦合，為保證精度，參與計算的聲腔模態(tài)固有頻率上限至少為分析頻率上限的2倍。本文采用LMS Virtual.Lab軟件分析駕駛室聲腔模態(tài)，計算出0～400 Hz頻率范圍內的模態(tài)頻率和振型。

4 駕駛室頻率響應分析

頻率響應是指計算結構在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應。為了得到振動邊界條件，需要對駕駛室進行頻率響應分析。在駕駛室4個懸置點+Z向施加10～200 Hz的單位力激勵，頻率步長設置為1 Hz，采用RADIOSS求解器對駕駛室進行頻率響應分析，即可計算出在該頻率范圍內的結構振動響應。

5 駕駛室聲學靈敏度分析

駕駛室聲學靈敏度也稱為噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function，簡稱NTF），是指施加于駕駛室的單位力在駕駛室內產生的聲壓，它表示駕駛室結構與內部空腔的聲學相關特性，也表示駕駛室內部空腔對施加于駕駛室結構的激勵所產生的噪聲響應，是駕駛室結構與內部空腔所固有的結構—聲學特性。

通過對駕駛室的聲學靈敏度的研究分析，可以在設計階段就能準確了解駕駛室的結構——聲學特性，從而有助于盡早發(fā)現(xiàn)和修正潛在的設計問題，進行結構優(yōu)化和低噪聲設計，也可以在已知激勵的情況下，對駕駛室噪聲進行預估和模擬控制，為實際控制提供依據(jù)。

駕駛室聲學靈敏度分析以駕駛室頻率響應分析結果為輸入條件，在LMS Virtual.Lab軟件中采用聲學有限元法計算駕駛室內部駕駛員右耳旁聲壓響應，計算了無阻尼、原車阻尼和阻尼優(yōu)化三種工況下的駕駛員右耳旁聲壓響應。

6 駕駛室板塊貢獻量分析

駕駛室內部結構噪聲是由駕駛室內所有板塊振動引起的，對于特定的振動激勵，駕駛室內各板塊對于特定位置的噪聲貢獻量是不同的。駕駛室內各板塊的振動大小和振動相位直接影響到室內噪聲，這種影響不僅有大小之分，而且還有正負之分[5]。

對于有限數(shù)量單元或板塊，空腔內某場點的聲壓級P和頻率ω關系式為：

式中：{vns}為表面速度列向量；ATV為聲場貢獻矢量。

當所有板塊都振動時，空腔內某場點的聲壓級可以用n個有限元發(fā)生振動引起聲壓的矢量疊加，即該場點總聲壓P用下式表示：

式中：Pe為第e個有限元聲壓；{ve}為第e個有限元表面速度；ATVe為第e個有限元聲場貢獻矢量。

將組成板塊的各單元聲壓疊加，即可獲得該板塊振動引起的聲壓Pc

式中，pe為組成該板塊的單元數(shù)

為了量化各板塊對駕駛室內噪聲的貢獻程度，引入了振動的聲學貢獻系數(shù)概念。板塊Pc對某場點的聲學貢獻系數(shù)Dc是該板塊振動生成的聲壓Pc在該場點總聲壓P矢量上的投影，表示為

式中，P*為P的共軛復數(shù)，Re為該復數(shù)的實部。

聲學貢獻系數(shù)Dc的物理意義可以理解為，當一個具體的板塊產生的聲壓與總聲壓相位相同時，貢獻系數(shù)為正，否則為負。進行駕駛室結構噪聲改進時，就是要減少噪聲貢獻量為正的板塊的振動。

為得到各板塊的聲學貢獻量，需要將聲學網格劃分為不同的板塊，如圖1所示。

圖1 聲學板塊劃分

在LMS Virtual.Lab軟件中進行板塊貢獻分析，可以得到計算場點每個分析頻率下各個板塊的噪聲貢獻量。圖2、圖3分別為63 Hz駕駛員右耳旁板塊聲學貢獻量—直方圖和聲學貢獻幅值—相位圖。

圖2 63Hz板塊聲學貢獻量—直方圖

圖3 63Hz板塊聲學貢獻幅值—相位圖

從上圖可以清晰地看出，右側車門下方板塊是駕駛員右耳旁63 Hz處的噪聲峰值貢獻量最大的板塊，其相位與總聲壓相位一致。要降低該頻率下的噪聲，必須對該位置進行改進。為得到有問題板塊的精確位置，可以進一步顯出該頻率下的頻率響應分析結果云圖，如圖4所示。

圖4 63 Hz加速度頻率響應結果

本文關注的是聲學靈敏度分析得到的聲壓峰值所對應的頻率，尤其是動力總成、傳動系、輪胎和路面等振動激勵而產生的室內最大噪聲峰值頻率，要降低室內噪聲峰值頻率的噪聲值，通過板塊貢獻量分析就可以精確找到需要改進的板塊位置。

7 駕駛室鈑金阻尼布置優(yōu)化

通過整車振動和噪聲測試，可以得出駕駛室內結構噪聲的頻譜數(shù)據(jù)，從而找到了需要進行改進的噪聲頻率，結合結構模態(tài)分析、聲腔模態(tài)分析、聲學靈敏度分析、塊貢獻量分析和頻率響應分析結果，就可以找到需要改進的板塊準確位置。

對駕駛室鈑金進行減振降噪有多種技術，主要包括材料變更、材料加厚、形狀改進、結構加強和阻尼處理等，對于已經定型的駕駛室，對鈑金結構進行較大的改動代價過高，國內外目前普遍采用的是阻尼處理技術。

根據(jù)實車測試及仿真分析結果，對某型號駕駛室鈑金相應位置進行阻尼處理，表1為部分位置阻尼處理對比。

表1 部分位置阻尼處理對比

根據(jù)阻尼優(yōu)化結果，進行了無阻尼、原車阻尼和阻尼優(yōu)化三種工況下的駕駛員右耳旁聲壓靈敏度分析。圖5為靈敏度對比曲線。

圖5 靈敏度對比曲線

其中，需要改進的 33 Hz、125 Hz、173 Hz和 196 Hz聲壓級都得到了明顯降低。

8 室內噪聲測試結果分析

根據(jù)阻尼布置位置優(yōu)化方案，重新試制了某型號降噪駕駛室總成并裝車驗證，測試了原地工況和汽車勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲值。圖6、圖7分別列出了阻尼優(yōu)化前、后以及國際標桿車型原地工況和勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲對比。

圖6 原地工況駕駛員右耳旁噪聲對比

圖7 勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲對比

從試驗結果可以看出，阻尼優(yōu)化后，某型號駕駛室，原地怠速工況駕駛員右耳旁噪聲降低2.2 dB（A），整個測試轉速范圍內比原車噪聲降低明顯，最大降幅達2.6 dB（A），原地工況噪聲優(yōu)于國際標桿，怠速工況噪聲比國際標桿低2.1 dB（A），發(fā)動機2 000 rpm時噪聲比國際標桿低3.3 dB（A）；勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲在整個測試車速范圍內比原車噪聲降低明顯，最大降幅達4 dB（A），勻速行駛工況噪聲在60 km/h以下車速優(yōu)于國際標桿，在60 km/h以上車速與國際標桿相當，其中最常用車速80 km/h噪聲降低3.2 dB（A），達到國際標桿水平。

9 結束語

本文以某重型商用車駕駛室為分析對象，通過建立駕駛室結構有限元模型和聲學有限元模型，進行了駕駛室模態(tài)分析、頻率響應分析、駕駛室板塊貢獻量分析，找出影響駕駛員右耳旁噪聲的板塊位置，并對噪聲貢獻量大的板塊進行優(yōu)化，采取相應措施進行降噪處理。改進后的某駕駛室進行實車噪聲測試。結果表明，原地工況和勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲降低明顯，使原地工況最大降幅2.6 dB（A），勻速行駛工況最大降幅達4 dB（A），達到預定的降噪目標，使該車型室內噪聲達到國際標桿水平。按該優(yōu)化方案進行小批量裝車及試驗驗證，室內噪聲測試結果與優(yōu)化車型相當，室內噪聲一致性良好，說明通過優(yōu)化商用車駕駛室阻尼布置位置來降低室內噪聲結果是有效的。

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The Damping Location Optimization of Cab for Commercial Vehicle

WEI Yong-you，DENG Ju-cai，CHEN Zhi-ning
（Dong Feng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

In this paper，structure finite element and acoustic finite element model for a heavy commercial vehicle are established to conduct cab modal analysis，frequency response analysis and panel contribution analysis.The sound pressure level of driver’s right ear is also calculated.According to the calculation results，the panels which have large contribution are located and optimized.The results show that after systematic research and improvement，the noise of internal cab can be reduced effectively.

commercial vehicle；cab；damping；noise reduction

U463.81

A

1672-545X（2017）08-0214-04

2017-05-28

韋永尤（1982－），男，廣西東蘭人，本科，工程師，研究方向：商用車NVH研究。