劉宗成，顏伏伍，李 進(jìn)

(東風(fēng)小康汽車有限公司 汽車技術(shù)中心， 重慶 400039)

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的消費(fèi)者對(duì)汽車的品質(zhì)要求不再局限于外觀、動(dòng)力性、操控性，車輛的噪聲振動(dòng)及舒適性也被作為選購(gòu)車輛的重要指標(biāo)。因此，車輛的NVH性能已被各大主機(jī)廠廣泛關(guān)注[1-5]。

對(duì)某乘用車主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該車在自動(dòng)擋模式、勻速30 km/h左右、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 410 r/min左右時(shí)，車內(nèi)噪聲突然增大，伴隨較強(qiáng)的壓耳感，引起車內(nèi)乘員明顯不適及煩躁感。本文針對(duì)該問題展開分析研究。

1 轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理

1.1 轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)汽車乘員倉(cāng)處于密閉狀態(tài)時(shí)， 車內(nèi)空氣會(huì)形成聲腔模態(tài)。封閉空間的氣體受到外力擾動(dòng)時(shí)，壓力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生聲音[6]。汽車乘員倉(cāng)內(nèi)空氣受到擾動(dòng)的因素主要有2種：結(jié)構(gòu)振動(dòng)擾動(dòng)和聲波擾動(dòng)[7]。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)擾動(dòng)是車身結(jié)構(gòu)板件在動(dòng)力總成、壓縮機(jī)、風(fēng)扇或路面等激勵(lì)源的作用下振動(dòng)，使車內(nèi)空氣體積發(fā)生微小變化，產(chǎn)生聲音[8]。當(dāng)激勵(lì)頻率與板件模態(tài)頻率耦合時(shí)，板件振動(dòng)引起的擾動(dòng)能量會(huì)突然增大，引起車內(nèi)密閉空氣體積發(fā)生較大的變化，相應(yīng)地引起車內(nèi)噪聲突然增大，導(dǎo)致人耳不適。

聲波擾動(dòng)，一般指乘員倉(cāng)以外的噪聲，如進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲透過車身傳遞到車內(nèi)，擾動(dòng)車內(nèi)封閉空氣產(chǎn)生體積變化形成噪聲[9]。當(dāng)聲波擾動(dòng)頻率與乘員倉(cāng)聲模態(tài)頻率耦合時(shí)，車內(nèi)會(huì)形成很高的噪聲，嚴(yán)重的會(huì)伴有壓耳及煩躁感。

1.2 乘用車轟鳴聲影響因素

研究車內(nèi)轟鳴聲常采用“源—路徑—響應(yīng)”的方法進(jìn)行分析[10]。引起車內(nèi)噪聲的主要激勵(lì)源及傳遞路徑見圖1。

對(duì)乘用車，聲波擾動(dòng)聲源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等系統(tǒng)部件產(chǎn)生的空氣聲通過車身縫隙、車身孔洞以及車身透聲等路徑傳遞到車內(nèi)，在車內(nèi)產(chǎn)生噪聲；乘用車結(jié)構(gòu)振動(dòng)源及其傳遞路徑比較多，主要有動(dòng)力總成和空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)通過懸置傳遞到車身，引起車身強(qiáng)迫振動(dòng)；排氣系統(tǒng)振動(dòng)通過排氣吊勾傳遞到地板引起車身振動(dòng)；傳動(dòng)軸振動(dòng)及路面激勵(lì)通過懸架傳遞到車身引起振動(dòng)；進(jìn)氣系統(tǒng)振動(dòng)通過與車身連接的支架傳遞到車身；風(fēng)扇振動(dòng)通過接附點(diǎn)傳遞到車身等。

圖1 車內(nèi)噪聲主要激勵(lì)源及傳遞路徑

1.3 乘用車內(nèi)噪聲優(yōu)化控制方法

假設(shè)在引起車內(nèi)轟鳴聲的工況點(diǎn)，有i個(gè)激勵(lì)源共同作用，每個(gè)激勵(lì)源作用于車身的激勵(lì)力為Fi，對(duì)應(yīng)的第i個(gè)激勵(lì)力有j條傳遞路徑把激勵(lì)傳遞到車內(nèi)擾動(dòng)空氣產(chǎn)生噪聲。

假定第i個(gè)激勵(lì)力通過第j條傳遞路徑到車內(nèi)的傳遞函數(shù)為Hij(ω)。對(duì)某個(gè)特定的激勵(lì)力i和該激勵(lì)力對(duì)應(yīng)的某條傳遞路徑j(luò)，會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)噪聲響應(yīng)分量pij。這個(gè)噪聲響應(yīng)分量可以表示為

pij=Hij(ω)·Fi(ω)

(1)

其中：Hij(ω)是傳遞函數(shù)；Fi(ω)是激勵(lì)力的頻譜。

車內(nèi)噪聲響應(yīng)受某個(gè)激勵(lì)力的作用，通過所有傳遞路徑傳遞到車內(nèi)的聲壓分量可表示為

(2)

車內(nèi)噪聲受所有激勵(lì)力作用，傳遞過來的所有聲壓成份之和可以表示為

(3)

由以上分析可知：控制激勵(lì)力的大小或者優(yōu)化噪聲振動(dòng)傳遞路徑，都可以降低車內(nèi)噪聲響應(yīng)。

一般情況下，優(yōu)化乘用車內(nèi)轟鳴聲問題需要分析引起轟鳴聲的激勵(lì)源和傳遞路徑，分別對(duì)源和路徑進(jìn)行優(yōu)化和控制。如果有多個(gè)激勵(lì)源和多條傳遞路徑，則對(duì)其中占主要貢獻(xiàn)量的源和對(duì)應(yīng)的傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化控制。

2 轟鳴聲特征分析

本文研究的乘用車在勻速30 km/h行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)1 410 r/min工況時(shí)，駕駛員耳旁噪聲云圖見圖2。從6.5 s開始一直到14.3 s結(jié)束，存在明顯噪聲峰值，該峰值聲壓即為主觀評(píng)價(jià)中轟鳴聲發(fā)生時(shí)段。該轟鳴聲主要頻率成分集中在46.0～47.7 Hz窄帶頻率區(qū)間。通過對(duì)轟鳴聲較嚴(yán)重的12.09 s數(shù)據(jù)進(jìn)一步切片分析(見圖4)，該處噪聲峰值頻率為47 Hz，峰值處聲壓級(jí)為57.6 dB(A)。

圖2 駕駛員耳邊噪聲云圖

圖3 駛員耳旁12.09 s噪聲頻譜

3 轟鳴聲診斷分析

該車的動(dòng)力系統(tǒng)配置為直列4缸4沖程自然吸氣汽油機(jī)，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中氣體壓力變化產(chǎn)生的不平衡力和運(yùn)動(dòng)部件的慣性產(chǎn)生的不平衡力會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)周期性振動(dòng)[11]。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)以及駕乘室內(nèi)噪聲峰值頻率f之間存在特定關(guān)系：

(4)

式中i為振動(dòng)和噪聲的階次。

在式(4)中，代入1 410 r/min，取i=2，求得對(duì)應(yīng)頻率為f=47 Hz。

動(dòng)力總成2階激勵(lì)頻率與駕乘室內(nèi)噪聲響應(yīng)頻率吻合，判斷該轟鳴由發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)引起。

動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)到車身的振動(dòng)傳遞路徑主要有以下幾條[7]：

1) 動(dòng)力總成的振動(dòng)通過懸置傳遞到車身；

2) 動(dòng)力總成的振動(dòng)經(jīng)排氣系統(tǒng)掛鉤傳遞到車身；

3) 動(dòng)力總成的振動(dòng)通過傳動(dòng)軸及懸架傳遞到車身。

為排除其他激勵(lì)源，針對(duì)該問題，選擇多種不規(guī)則路面進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)及試驗(yàn)測(cè)試，排除了不規(guī)則路面激勵(lì)產(chǎn)生該問題的可能性。

通過對(duì)懸置系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)掛鉤等位置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，排除了懸置系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)導(dǎo)致該問題產(chǎn)生的可能性。通過深入試驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn)，在問題點(diǎn)工況，左、右驅(qū)動(dòng)軸均存在47 Hz的振動(dòng)響應(yīng)，見圖4、5。

圖4 左驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)加速度云圖

圖5 右驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)加速度云圖

分析傳動(dòng)軸近場(chǎng)采集的噪聲數(shù)據(jù)，沒有發(fā)現(xiàn)在47 Hz處存在噪聲突變，排除傳動(dòng)軸產(chǎn)生空氣噪聲激勵(lì)的可能性。最終確定引起該轟鳴聲的主要振動(dòng)傳遞路徑為傳動(dòng)軸和懸架。

對(duì)車身做CAE模態(tài)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，頂蓋后部存在47 Hz的局部模態(tài)頻率。

圖6 白車身模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)CAE計(jì)算結(jié)果，對(duì)頂蓋后部做頻響測(cè)試，測(cè)試結(jié)果圖7所示，表明頂蓋后部確實(shí)存在47 Hz局部模態(tài)率。

圖7 頂蓋后部頻響曲線

在頂蓋后部布置加速度傳感器，測(cè)試車速30 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 410 r/min時(shí)，頂蓋后部的振動(dòng)加速度響應(yīng)，測(cè)試得到如圖8所示的振動(dòng)加速度云圖。

圖8 頂蓋振動(dòng)加速度云圖

對(duì)比主觀感受，轟鳴聲發(fā)生時(shí)刻和車身頂蓋后部47 Hz共振峰產(chǎn)生時(shí)間相同。

綜合以上分析，該車30 km/h勻速行駛車內(nèi)轟鳴主要激勵(lì)源是動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)振動(dòng)，頻率為47 Hz，噪聲激勵(lì)成份很少。振動(dòng)傳遞到車身的主要路徑為傳動(dòng)軸和懸架。同時(shí)，車身頂蓋后部存在47 Hz局部模態(tài)頻率，動(dòng)力總成振動(dòng)激勵(lì)在此處產(chǎn)生共振，引起車內(nèi)轟鳴。

4 轟鳴聲控制優(yōu)化

當(dāng)前條件不允許對(duì)懸架系統(tǒng)做調(diào)整。由于頂蓋后部存在47 Hz共振，且貢獻(xiàn)較大，首先優(yōu)化駕乘室頂蓋結(jié)構(gòu)，調(diào)整頂蓋模態(tài)頻率，降低頂蓋系統(tǒng)對(duì)47 Hz的振動(dòng)響應(yīng)，減輕其擾動(dòng)車內(nèi)空氣的能量。

分別加強(qiáng)頂蓋后部?jī)筛鶛M梁的接頭剛度，并加固橫梁對(duì)頂蓋的支承，提升頂蓋模態(tài)頻率，結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施(見圖9)。試驗(yàn)測(cè)試頂蓋到駕駛員耳旁聲振傳函，對(duì)比分析頂蓋優(yōu)化前后的聲振傳遞函數(shù)(見圖10)可知，結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化后，47 Hz處的NTF值由99.2 dB(A)降低到86.2 dB(A)，下降13 dB。

進(jìn)一步測(cè)試優(yōu)化后的樣車，得到問題工況時(shí)車內(nèi)噪聲云圖11，與原狀態(tài)(圖1)相比，噪聲幅值已有較大降低。對(duì)噪聲云圖中轟鳴聲最嚴(yán)重的24 s數(shù)據(jù)切片進(jìn)一步分析，得到該時(shí)刻的噪聲頻譜，如圖12所示，47 Hz峰值處噪聲響應(yīng)由未優(yōu)化前的57.6 dB(A)(見圖2)降低至52.5 dB(A)，優(yōu)化效果顯著。

圖9 頂蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖10 頂蓋到駕駛員耳旁NTF曲線

圖11 駕駛員耳旁噪聲云圖

圖12 駕駛員耳旁噪聲頻譜

優(yōu)化頂蓋結(jié)構(gòu)后，經(jīng)主觀駕評(píng)，改善效果顯著。但在47 Hz處，噪聲依然偏大。

由于動(dòng)力總成系統(tǒng)在47 Hz激勵(lì)能量過大，繼續(xù)優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，效果有限。下一步從激勵(lì)源入手，對(duì)該轟鳴聲進(jìn)一步優(yōu)化控制。由前期分析，動(dòng)力總成47 Hz激勵(lì)主要經(jīng)傳動(dòng)軸傳遞，可知，調(diào)整動(dòng)力匹配或許可以降低該頻率的激勵(lì)能量。

對(duì)動(dòng)力總成換檔策略適當(dāng)調(diào)整，并反復(fù)駕評(píng)和試驗(yàn)測(cè)試，最終確定車速在20～30 km/h區(qū)間，變速器換檔轉(zhuǎn)速提升120 r/min。優(yōu)化控制策略后，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明車內(nèi)轟鳴聲已經(jīng)徹底消失。

駕評(píng)及測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min掃頻工況，主觀駕評(píng)沒有感知到車內(nèi)存在轟鳴聲，測(cè)試結(jié)果(圖13)表明，優(yōu)化頂蓋結(jié)構(gòu)和調(diào)整動(dòng)力匹配策略后，車內(nèi)噪聲線性度良好，1 410 r/min車內(nèi)轟鳴聲消聲，且沒有在車內(nèi)引起其他轉(zhuǎn)速的轟鳴聲。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min掃頻車內(nèi)噪聲

5 結(jié)論

本文通過理論研究、試驗(yàn)測(cè)試、頻譜分析、傳遞路徑分析和CAE仿真計(jì)算待研究分析方法，確定了乘用車勻速車內(nèi)轟鳴聲產(chǎn)生的根源：

1) 動(dòng)力總成2階振動(dòng)是引發(fā)車內(nèi)轟鳴的激勵(lì)源；

2) 傳動(dòng)軸及懸架是振動(dòng)傳遞到車身的主要路徑；

3) 車身頂蓋后部存在47 Hz局部模態(tài)并與動(dòng)力總成激勵(lì)共振，引起發(fā)動(dòng)機(jī)1 410 r/min時(shí)車內(nèi)強(qiáng)烈的壓耳感。

本文提出通過優(yōu)化車身頂蓋結(jié)構(gòu)和調(diào)整動(dòng)力總成動(dòng)力輸出匹配策略相結(jié)合的解決方案。對(duì)實(shí)施優(yōu)化方案的車輛主觀駕評(píng)及客觀測(cè)試結(jié)果表明，該方案成功解決了勻速行駛車內(nèi)轟鳴聲問題，且沒有引發(fā)新的NVH問題。對(duì)該問題的研究分析方法和解決方案對(duì)其他車型的開發(fā)及調(diào)校具有一定的借鑒意義。