金 巖，趙 濤

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122； 2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

前言

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車品質(zhì)要求的不斷提高，車內(nèi)噪聲的品質(zhì)問(wèn)題受到了更多的關(guān)注。這對(duì)從事汽車振動(dòng)噪聲研究的學(xué)者和從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的工程師提出了更高的要求。目前對(duì)汽車聲品質(zhì)的研究成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。加速車內(nèi)噪聲是評(píng)價(jià)車輛NVH性能的一個(gè)重要的指標(biāo)。加速工況也是常用工況，如果加速過(guò)程車內(nèi)噪聲品質(zhì)較差，往往會(huì)降低消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的評(píng)價(jià)，甚至引起抱怨和投訴。

國(guó)外對(duì)車內(nèi)加速聲品質(zhì)的研究開(kāi)展的較早，Terazawa等人研究了加速車內(nèi)聲品質(zhì)的分析和評(píng)價(jià)方法，分析了加速車內(nèi)噪聲的頻率成分對(duì)車內(nèi)聲品質(zhì)的影響［1］；Wang等人研究了曲軸和飛輪的彎曲剛度對(duì)加速車內(nèi)聲品質(zhì)的影響［2］；Croker等人研究了利用傳遞路徑分析技術(shù)預(yù)測(cè)動(dòng)力總成振動(dòng)優(yōu)化對(duì)車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)的影響［3］；Deighan等人論述了基于有限元、動(dòng)力學(xué)結(jié)合傳遞路徑分析方法預(yù)測(cè)車內(nèi)加速聲品質(zhì)的前沿技術(shù)［4］。國(guó)外對(duì)車內(nèi)加速聲品質(zhì)的研究涵蓋了聲品質(zhì)的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法、影響因素的理論分析、聲品質(zhì)的改進(jìn)和優(yōu)化方法以及加速聲品質(zhì)的設(shè)計(jì)等方面。

國(guó)內(nèi)對(duì)汽車聲品質(zhì)的研究重點(diǎn)集中在車內(nèi)聲品質(zhì)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方法上［5－6］。研究工況也主要聚焦在汽車怠速、勻速等穩(wěn)定運(yùn)行工況。對(duì)加速工況汽車聲品質(zhì)的研究較少，尤其是對(duì)動(dòng)力總成導(dǎo)致的加速車內(nèi)聲品質(zhì)問(wèn)題研究更少。2016年浙江大學(xué)楊文英等人研究了曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)加速過(guò)程車內(nèi)聲品質(zhì)的影響［7］，除此之外鮮有報(bào)道。

本文中針對(duì)搭載1.5T動(dòng)力總成的某款車型加速車內(nèi)噪聲粗糙感較強(qiáng)的問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)試驗(yàn)手段分析了車內(nèi)半階噪聲主要來(lái)源和傳遞路徑；通過(guò)優(yōu)化動(dòng)力總成懸置和提高懸置支架動(dòng)剛度的方法有效降低了車內(nèi)噪聲的粗糙度，改善了加速過(guò)程車內(nèi)的聲品質(zhì)。

1 加速車內(nèi)噪聲分析

本文中研究對(duì)象為采用1.5 L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)配6擋手動(dòng)變速器車型。在進(jìn)行主觀駕評(píng)時(shí)，3擋全油門加速過(guò)程從1 500 r／min渦輪增壓器介入工作后，動(dòng)力總成轉(zhuǎn)矩增大，主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲嘈雜，噪聲粗糙感明顯。

心理聲學(xué)研究成果表明，當(dāng)純音受到調(diào)制時(shí)會(huì)讓人感覺(jué)到聲音的不穩(wěn)定。當(dāng)調(diào)制的頻率低于15 Hz時(shí)主要表現(xiàn)為波動(dòng)感。調(diào)制頻率高于15 Hz聲音就表現(xiàn)出粗糙感［8］。聲音粗糙度R的定義為

式中：fmod為調(diào)制頻率，kHz；z為臨界頻帶，Bark；ΔLE為掩蔽深度，dB，是臨界頻帶z的函數(shù)。粗糙度R的單位為Asper。

圖1為3擋全油門加速車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看到，從1 500 r／min開(kāi)始，車內(nèi)噪聲中有明顯以275 Hz為中心頻率的寬頻噪聲。

從圖中可以清晰看到，在這個(gè)寬頻帶的噪聲頻帶中不僅包含了4和6階這些四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)慣性力和燃燒激勵(lì)的主要階次成分，也包含了4.5、5.0、5.5、6.5、7.0和7.5等曲軸旋轉(zhuǎn)的奇數(shù)階／半階次噪聲。

圖1 加速車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

圖2 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r／min時(shí)車內(nèi)噪聲頻譜的切片。其中 5.0、5.5和6.0階（圖中標(biāo)注）的噪聲峰值超過(guò)了50 dB（A），均高于發(fā)動(dòng)機(jī)的2階噪聲，是這個(gè)轉(zhuǎn)速段最主要的噪聲成分。這3個(gè)主要的噪聲的頻率間隔接近（分別間隔25 Hz），容易產(chǎn)生調(diào)制，而導(dǎo)致較為明顯的粗糙感（Roughness），從而使乘員產(chǎn)生抱怨。通過(guò)測(cè)試軟件將260～290 Hz頻帶的噪聲濾除之后，重新對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行回放，主觀評(píng)價(jià)的車內(nèi)噪聲品質(zhì)明顯改善。

圖2 3 000 r／min車內(nèi)噪聲頻譜圖

2 傳遞路徑排查

為排查275 Hz為中心頻率寬頻噪聲的來(lái)源和可能的傳遞路徑，采取了如下的排查手段：（1）屏蔽進(jìn)排氣噪聲和進(jìn)排氣系統(tǒng)的殼體輻射噪聲；（2）排氣系統(tǒng)吊鉤與車身脫離；（3）動(dòng)力總成冷卻系統(tǒng)和空調(diào)管路與車身脫離。以上措施對(duì)該頻帶的噪聲均無(wú)改善。表1為采取的排查措施和效果匯總。

以上結(jié)果排除其他的可能傳遞路徑，表明275 Hz的噪聲只能來(lái)自于動(dòng)力總成的振動(dòng)。動(dòng)力總成的振動(dòng)通過(guò)懸置傳遞到車內(nèi)。該車型采用了典型的3點(diǎn)懸置方案。為確定哪個(gè)懸置是最主要的傳遞路徑，對(duì)動(dòng)力總成懸置主被動(dòng)端的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。整車坐標(biāo)系的定義為：車頭指向車尾為X向，車輛左側(cè)指向右側(cè)為Y向，垂直向上為Z向。其中動(dòng)力總成左懸置（變速器側(cè)）主動(dòng)端Y向275Hz頻率處的振動(dòng)最為明顯。圖3為變速器側(cè)懸置支架振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果。

表1 排查措施和效果

圖3 懸置支架主動(dòng)端（變速器側(cè)）Y向振動(dòng)

所有懸置被動(dòng)側(cè)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果中，變速器懸置的被動(dòng)端（車身側(cè)）Y向振動(dòng)（見(jiàn)圖4）最為突出，且與車內(nèi)噪聲信號(hào)特征（頻帶和階次）有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 變速器懸置被動(dòng)端（車身側(cè)）Y向振動(dòng)

對(duì)于四缸四沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力總成受到的主要激勵(lì)為往復(fù)慣性力和燃燒氣體作用力，這兩個(gè)激勵(lì)主要為2階和4、6、8階等偶數(shù)階。但動(dòng)力總成作為一個(gè)彈性體，每一次的氣缸爆發(fā)壓力均使機(jī)體發(fā)生彈性體振動(dòng)。由于每個(gè)氣缸燃燒氣體作用力位置不同，造成的動(dòng)力總成的響應(yīng)也不同；此外，每缸之間燃燒壓力差異和同一缸的燃燒壓力也存在循環(huán)壓力變動(dòng)。以上兩個(gè)因素必然導(dǎo)致動(dòng)力總成在燃燒氣體作用力的激勵(lì)下產(chǎn)生半階次的振動(dòng)。

國(guó)外研究結(jié)果表明，如果動(dòng)力總成振動(dòng)半階次成分過(guò)多，可能與以下因素有關(guān)［3］：

（1）燃燒均勻性差；

（2）曲軸剛度低；

（3）軸承座剛度低；

（4）動(dòng)力總成整體剛度低；

（5）主軸承間隙過(guò)大等。

此外，動(dòng)力總成附件模態(tài)、曲軸模態(tài)和動(dòng)力總成彈性體模態(tài)都會(huì)對(duì)半階次的激勵(lì)起到放大作用。

為研究動(dòng)力總成的動(dòng)力學(xué)特性，利用錘擊法進(jìn)行了動(dòng)力總成彈性體模態(tài)的測(cè)試。圖5為動(dòng)力總成彎曲模態(tài)的測(cè)試結(jié)果。該動(dòng)力總成存在1階模態(tài)頻率為275 Hz的模態(tài)，與車內(nèi)噪聲的頻帶有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這階模態(tài)主要變形發(fā)生在變速器側(cè)。懸置支架的安裝位置沿著整車Y和X方向擺動(dòng)。

圖5 動(dòng)力總成彈性體模態(tài)振型（275 Hz）

通過(guò)以上的分析和試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，車內(nèi)中頻粗糙感噪聲來(lái)自于動(dòng)力總成的燃燒氣體作用力，激勵(lì)起了動(dòng)力總成振動(dòng)，通過(guò)變速器懸置支架傳遞到車內(nèi)。

3 改進(jìn)方案和效果驗(yàn)證

燃燒爆發(fā)力是產(chǎn)生半階次振動(dòng)的最重要的原因，如果從源頭上減小發(fā)動(dòng)機(jī)半階次的振動(dòng)可以采取以下措施：曲軸主軸頸加強(qiáng)；曲柄臂加強(qiáng)；主軸承座加強(qiáng)；減小主軸承間隙；進(jìn)氣歧管優(yōu)化，提高燃燒均勻性；采用柔性飛輪等措施。

但該動(dòng)力總成是比較成熟的產(chǎn)品，因此很難從源頭上減小半階次的激勵(lì)。這里選擇在傳遞路徑上采取改進(jìn)措施，通過(guò)降低動(dòng)力總成的振動(dòng)向車身的傳遞來(lái)減小車內(nèi)的噪聲響應(yīng)。

（1）提高變速器懸置被動(dòng)側(cè)支架的剛度

圖6（a）為車身側(cè)懸置支架的CAD模型。為了提高該支架的動(dòng)剛度，經(jīng)過(guò)CAE計(jì)算，在懸置支架于車身安裝位置增加焊點(diǎn)，并對(duì)零件采取鈑金加厚的措施，鈑金的厚度由1.0增加到1.5 mm。圖6（b）為在實(shí)車采取的相應(yīng)的手工改進(jìn)方案。

圖6 車身側(cè)安裝支座加強(qiáng)措施

圖7 為手工改進(jìn)前后變速器懸置支架Y方向頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果。由圖可見(jiàn)，改進(jìn)后懸置支架在220 Hz以上頻率響應(yīng)有比較明顯的降低，懸置支架的動(dòng)剛度有明顯提高。

圖7 變速器懸置被動(dòng)側(cè)支架頻響

（2）降低動(dòng)力總成懸置剛度

表2為改進(jìn)前后變速器側(cè)懸置動(dòng)剛度的對(duì)比，其中u、v、w是懸置元件局部坐標(biāo)系的方向，分別對(duì)應(yīng)于整車的X、Y、Z方向。懸置u方向的剛度由改進(jìn)前的190降低到170 N／mm，v方向的動(dòng)剛度由120降低到80 N／mm。同時(shí)增大變速器懸置X方向的線性段到±5 mm，保證加速過(guò)程懸置元件剛度處于線性范圍。圖8為經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的懸置樣件。

表2 變速器懸置剛度的調(diào)整方案

圖8 調(diào)整之后的懸置樣件

圖9 為進(jìn)行懸置優(yōu)化和懸置支架剛度加強(qiáng)之后變速器側(cè)懸置被動(dòng)端Y方向振動(dòng)的測(cè)試結(jié)果。與圖4相比可見(jiàn)，260～290 Hz范圍內(nèi)各個(gè)階次的振動(dòng)都有明顯減弱。采取以上兩項(xiàng)優(yōu)化措施明顯減少了發(fā)動(dòng)機(jī)半階次振動(dòng)傳遞到車身上的能量。

圖9 優(yōu)化后左懸置Y向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖10 為懸置和支架改進(jìn)前后加速行駛車內(nèi)噪聲的總值對(duì)比。由圖可見(jiàn)，改進(jìn)后1 500 r／min以上的3擋全油門加速車內(nèi)噪聲降低了1～2 dB（A）。

圖10 改進(jìn)前后加速車內(nèi)噪聲的對(duì)比

圖11 為車內(nèi)噪聲的粗糙度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線。由圖可見(jiàn)，1 500～3 500 r／min轉(zhuǎn)速范圍的車內(nèi)噪聲粗糙度有普遍較大幅度降低，尤其是3 000 r／min左 右，噪 聲 粗 糙 度 由 0.44降 低 到0.15 Asper，主觀評(píng)價(jià)改善明顯。

圖11 改進(jìn)前后車內(nèi)噪聲粗糙度對(duì)比

4 結(jié)論

研究了加速車內(nèi)噪聲粗糙感產(chǎn)生原因，并通過(guò)對(duì)傳遞路徑的改進(jìn)，使加速車內(nèi)聲品質(zhì)有明顯的改善。通過(guò)本項(xiàng)研究可以得到以下結(jié)論：

（1）加速過(guò)程車內(nèi)半階次噪聲成分過(guò)多將導(dǎo)致車內(nèi)噪聲粗糙感強(qiáng)，聲品質(zhì)變差；

（2）動(dòng)力總成的半階次振動(dòng)是引起車內(nèi)噪聲粗糙感的主要原因，半階次振動(dòng)大可能會(huì)激勵(lì)起動(dòng)力總成彈性體模態(tài)，傳遞到車內(nèi)；

（3）在傳遞路徑上降低動(dòng)力總成半階次的振動(dòng)能在一定程度減輕車內(nèi)噪聲的粗糙感，使加速車內(nèi)聲品質(zhì)得到改善。