陳丹華 ，汪海濤，吉麗超，王玉雷，黃元毅

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術(shù)中心-整車集成部，上海 200000；2.西門子工業(yè)軟件（北京）有限公司部門，北京 100000）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，科技水平不斷提升，越來(lái)越多的汽車走進(jìn)普通家庭。越來(lái)越多的人購(gòu)買汽車，享受汽車給人們帶來(lái)的便利，汽車己不再只是簡(jiǎn)單的代步工具，人們對(duì)車的其他性能的要求也越來(lái)越高[1]。其中，汽車的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能，即噪聲、振動(dòng)和舒適性已經(jīng)成為汽車業(yè)不斷追求的性能指標(biāo)[2]。其中的噪聲問(wèn)題不僅會(huì)影響車內(nèi)人員的乘車體驗(yàn)，還會(huì)對(duì)道路周邊環(huán)境造成噪聲污染問(wèn)題。所以盡可能降低汽車行駛中的噪聲是新車型投產(chǎn)前必須進(jìn)行的工作。

噪聲和振動(dòng)往往都同時(shí)存在，振動(dòng)即產(chǎn)生噪聲，而車內(nèi)振動(dòng)的主要來(lái)源有兩個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和路面激勵(lì)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的噪聲問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外各學(xué)者對(duì)此問(wèn)題有較多的相關(guān)研究。Leopoldo P.R.,de Oliveira[3]等人對(duì)基于速度反饋的主動(dòng)控制方法進(jìn)行了研究，利用其控制發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的汽車內(nèi)車噪聲的聲壓和聲品質(zhì)。陳實(shí)[4]等針對(duì)設(shè)計(jì)車車內(nèi)噪聲響應(yīng)的峰值進(jìn)行了面板貢獻(xiàn)量（PPF）分析和模態(tài)參與因子（MPF）分析，以分析結(jié)果為依據(jù)，采用改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)、在敏感位置貼粘彈性阻尼貼片和用有機(jī)夾層玻璃更換前擋風(fēng)玻璃的措1施來(lái)控制車內(nèi)噪聲，并對(duì)優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了車內(nèi)噪聲仿真驗(yàn)證。吉林大學(xué)的龍巖等，對(duì)TPA方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化，提出了一些降噪減振的措施[5]。陳書明等[6]建立了汽車的聲固耦合模型，并對(duì)模型進(jìn)行了靈敏度分析，在此基礎(chǔ)上提出了通過(guò)應(yīng)用涂貼阻尼層來(lái)優(yōu)化車內(nèi)噪聲峰值的方法。余雄鷹等[7]通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)和路面激勵(lì)在副車架上的傳遞，提出了提高副車架剛度來(lái)降低低頻噪聲的方法，有效降低了車內(nèi)轟鳴噪聲。

在某型SUV的研發(fā)階段，為達(dá)到有效降低車內(nèi)噪聲的目的，本文通過(guò)對(duì)該車型進(jìn)行有限元仿真建模，利用汽車在實(shí)際工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)懸置被動(dòng)端的加速度響應(yīng)及懸置幾何中心到被動(dòng)端的傳遞函數(shù)，通過(guò)逆矩陣的方法計(jì)算出動(dòng)力總成載荷并作用于仿真模型的對(duì)應(yīng)位置。通過(guò)分析比較實(shí)測(cè)響應(yīng)和模擬計(jì)算響應(yīng)曲線，驗(yàn)證模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，分析噪聲的可能來(lái)源，并針對(duì)這些來(lái)源提出響應(yīng)的優(yōu)化方案包，通過(guò)仿真分析對(duì)比優(yōu)化前后的試驗(yàn)效果，驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性。

1 問(wèn)題描述

該型SUV采用1.5L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，6擋雙離合變速器。在3檔WOT工況時(shí)，車內(nèi)在多個(gè)轉(zhuǎn)速下均存在轟鳴聲，采用LMS Test.Lab軟件對(duì)車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)客觀測(cè)試得到駕駛員外耳位置在該工況下的噪聲聲壓級(jí)曲線（2階），如圖1所示。3檔WOT工況時(shí)，在2200rpm～4100rpm轉(zhuǎn)速段內(nèi)，存在轟鳴，主要峰值對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速2660，3230，3772rpm附近，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)二階噪聲頻率為88.7，107.7，125.7Hz。

圖1 駕駛員外耳-發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲

2 建模及模型分析

2.1 基于動(dòng)力總成載荷的車身模型描述

依據(jù)車身的建模準(zhǔn)則建立基于車身接附點(diǎn)動(dòng)力總成載荷的車身有限元模型，如圖2所示。車身有限元模型的相關(guān)參數(shù)：內(nèi)飾車身重量為1055千克，前后副車架襯套剛度為表1所示。動(dòng)力總成載荷輸入點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)懸置處（含發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)懸置、變速箱側(cè)懸置、副車架前后懸置）。

圖2 車身有限元模塊

表1 副車架襯套剛度

模型設(shè)置6個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)，分別在：駕駛員右耳位置（1號(hào)），駕駛員左耳位置（2號(hào)），中排右座乘客左耳位置（3號(hào)），中排右座乘客右耳位置（4號(hào)），后排右座乘客左耳位置（5號(hào)），后排右座乘客右耳位置（6號(hào)），如圖3所示。

圖3 麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)位置

2.2 基于動(dòng)力總成載荷的響應(yīng)分析及問(wèn)題定義

為了進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)分析，就必須獲得車身接附點(diǎn)的動(dòng)力總成載荷從而驅(qū)動(dòng)模型。將動(dòng)力載荷施加到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的前后左右被動(dòng)側(cè)懸置中心處，如圖4所示。車輛在行駛過(guò)程中，存在包含整個(gè)存在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)、齒輪間隙的作用、路面激勵(lì)等多種激勵(lì)，在針對(duì)動(dòng)力總成載荷的噪聲分析中，發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)是最主要的形式，因此，本文忽略其他形式的激勵(lì)，僅將發(fā)動(dòng)機(jī)懸置處的動(dòng)力載荷作為系統(tǒng)輸入。

圖4 懸置被動(dòng)側(cè)幾何中心

本文中汽車在實(shí)際工況條件下動(dòng)力總成車身接附點(diǎn)受到的載荷采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加理論計(jì)算的方法間接獲取。計(jì)算的原理如公式：

其中ax表示在x方向產(chǎn)生的加速度，F(xiàn)y表示第y個(gè)激勵(lì)作用。Tab表示Fa激勵(lì)下產(chǎn)生ab的傳遞函數(shù)（即懸置幾何中心到參考點(diǎn)）。所以由上式變形可以推導(dǎo)出汽車車身的動(dòng)力總成載荷激勵(lì)為：

本文中，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置被動(dòng)側(cè)加速度通過(guò)試驗(yàn)的方法獲取。通過(guò)在車輛每個(gè)懸置被動(dòng)段近點(diǎn)及遠(yuǎn)點(diǎn)分別布置加速度傳感器采集加速工況下的加速度信號(hào)，同時(shí)測(cè)得每個(gè)懸置幾何中心到加速度測(cè)點(diǎn)的傳函。再通過(guò)逆矩陣方法求得四個(gè)懸置幾何中心處的激勵(lì)載荷。測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。汽車行駛過(guò)程中動(dòng)力總成對(duì)車身的作用效果可以看作是由四個(gè)懸置處力的疊加作用，每個(gè)懸置處的受力可以分為x，y，z三個(gè)方向。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算后獲得的動(dòng)力總成載荷數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 載荷提取對(duì)應(yīng)的加速度測(cè)點(diǎn)

圖6 懸置被動(dòng)側(cè)幾何中心激勵(lì)

將動(dòng)力總成載荷激勵(lì)輸入到LMS Virtual.Lab環(huán)境以激勵(lì)仿真模型，得到車身模型內(nèi)的噪聲響應(yīng)，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)所獲得的噪聲結(jié)果對(duì)比，如圖7所示，試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)標(biāo)較好，整體趨勢(shì)一致，問(wèn)題點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速較一致。

圖7 前排駕駛員外耳二階噪聲（試驗(yàn)與仿真對(duì)比）

3 基于車身接附點(diǎn)動(dòng)力總成載荷的車身弱點(diǎn)及靈敏度分析

聲學(xué)有限元法可以根據(jù)內(nèi)飾車身模型和聲腔模型求得車艙內(nèi)聲學(xué)模態(tài)頻率及振動(dòng)模態(tài)[8]。將識(shí)別到的激勵(lì)按照對(duì)應(yīng)的加載點(diǎn)加載到有限元仿真模型上，運(yùn)用Virtual.lab對(duì)仿真模型進(jìn)行噪聲分析，分析結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯鲕噧?nèi)噪聲峰值對(duì)應(yīng)2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772，rpm這幾個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。故應(yīng)從這些轉(zhuǎn)速著手進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 駕駛員外耳二階噪聲仿真值

如圖9所示，對(duì)上文建立的仿真模型進(jìn)行ODS（Operational Deflection Shape，工作變形模態(tài)）分析，通過(guò)仿真試驗(yàn)觀察汽車模型在主要關(guān)注頻率上的響應(yīng)，圖9中圓圈標(biāo)記處表示振動(dòng)幅度較大的部件，即可能需要優(yōu)化的部位。從ODS結(jié)果上看，在70Hz附近（2660rpm），81Hz附近（2457rpm），88Hz附近（2660rpm），107Hz附近（3200，3358rpm），122Hz附近（3640，3772rpm）的工作變形分析，結(jié)果均指向弱點(diǎn)位置為集水槽和前圍板兩處。

圖9 振幅較大部件

通過(guò)觀察部分部件的變形結(jié)果并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)形變較大的部件提出了若干優(yōu)化方案，部分方案的仿真結(jié)果如下：

1）前圍板對(duì)WOT工況加速噪聲較敏感，其彈性模量增大為10倍后，駕駛員外耳噪聲在3000～4000rpm及4200～5800rpm區(qū)間明顯改善，3200，3358，3640，3772rpm對(duì)應(yīng)峰值分別降低1.6，2.2，3.1，5.5dB，2000rpm～2700rpm噪聲輕微惡化。

圖10 前圍板靈敏度分析-材料彈性模量*10

前導(dǎo)水槽對(duì)WOT加速噪聲非常敏感，其彈性模量增大為10倍后，2000rpm以上區(qū)域明顯得到優(yōu)化。如圖11所示，2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772rpm對(duì)應(yīng)駕駛員外耳噪聲分別降低5.3，5.5，3.9，1.9，3.5，4.5，4.2dB(A)

圖11 積水槽靈敏度分析-材料彈性模量*10

4 基于車身接附點(diǎn)動(dòng)力總成載荷的車身噪聲優(yōu)化方案

靈敏度分析指向兩處弱點(diǎn)：前圍板和積水槽。

前圍板工業(yè)化方案：前圍板與減震塔座之間增加連接支架，前圍板中間位置增加豎梁。

表2 靈敏度分析和結(jié)果

圖12 前圍板工業(yè)化方案

優(yōu)化后的噪聲結(jié)果如下：駕駛員外耳噪聲在3000rpm～4000rpm及4200rpm～5800rpm區(qū)間明顯改善，3200，3358，3640，3772rpm對(duì)應(yīng)峰值分別降低1.6，2.2，3.1，5.5dB，2000rpm～2700rpm噪聲輕微惡化。

圖13 駕駛員外耳噪聲-前圍板工業(yè)化方案

積水槽工業(yè)化方案：積水槽增加橫向筋條；積水槽板厚又0.8mm增加至1.2mm；積水槽增加兩處支撐橫隔板兩側(cè)上蓋板延長(zhǎng)與支架平齊。

優(yōu)化后的噪聲結(jié)果如下：2000rpm以上區(qū)域明顯得到優(yōu)化。2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772rpm對(duì)應(yīng)駕駛員外耳噪聲分別降低5.5，4，4，2.7，5.2，5.2，4.3dB（A）。

圖14 積水槽工業(yè)化方案

圖15 駕駛員外耳-積水槽工業(yè)化方案

圖16 駕駛員外耳-積水槽工業(yè)化方案

將積水槽方案與前圍板方案綜合為一個(gè)方案包，2000rpm以上區(qū)域明顯得到優(yōu)化。效果如下：2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772rpm對(duì)應(yīng)駕駛員外耳噪聲分別降低5.5，4，4，2.7，5.2，5.2，4.3dB（A）。

圖17 駕駛員外耳-綜合方案

表3 工業(yè)化可實(shí)施方案包和結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)某型國(guó)產(chǎn)汽車行駛過(guò)程中的噪聲問(wèn)題，進(jìn)行了有限元仿真，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比的方法驗(yàn)證了模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)車內(nèi)噪聲來(lái)源進(jìn)行分析，并提出了若干優(yōu)化方案，經(jīng)過(guò)仿真模擬并綜合為一個(gè)有效可行的優(yōu)化方案包。通過(guò)本文的研究可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）本文建立的有限元仿真模型通過(guò)了基于車身接附點(diǎn)動(dòng)力總成載荷試驗(yàn)的檢驗(yàn)，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，說(shuō)明了仿真建模的有效性、準(zhǔn)確性。

2）對(duì)于本研究而言，增強(qiáng)前圍板，前導(dǎo)水槽，對(duì)于降低車內(nèi)不同位置的噪聲有顯著效果。