宋建新 龐建中 史全勝|(zhì)文/圖

一款駕駛室前置汽車底盤(pán)，因其發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力輔助系統(tǒng)均位于駕駛室外部(后部)，在采用聲學(xué)包和電磁式風(fēng)扇等技術(shù)實(shí)施降噪后，噪聲可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不超過(guò)84 dB 的要求。但由于車型結(jié)構(gòu)狀態(tài)特殊，在實(shí)施降噪過(guò)程中，既要考慮噪聲控制，又要確保發(fā)動(dòng)機(jī)的話散熱能力滿足+55℃環(huán)境下的使用要求。通過(guò)采取合理的設(shè)計(jì)措施和試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了降噪與散熱之間的矛盾。

1 車型介紹及問(wèn)題提出

該汽車底盤(pán)是為了滿足空運(yùn)要求而設(shè)計(jì)的低位型重型越野底盤(pán)。由于要求整車高度低，整車采用了將駕駛室前置、動(dòng)力系統(tǒng)后移，動(dòng)力輔助系統(tǒng)集成上置到駕駛室后部、車架(發(fā)動(dòng)機(jī))上部等措施，從而實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)要求(底盤(pán)外形見(jiàn)圖1)。在發(fā)動(dòng)機(jī)后移出駕駛室后，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)后置于駕駛室左右兩側(cè)，通過(guò)組合框架固定并與發(fā)動(dòng)機(jī)連接(布置情況見(jiàn)圖2)。

但這樣的布置會(huì)出現(xiàn)整車噪聲控制和高溫(+55℃)環(huán)境適應(yīng)性的控制難點(diǎn)，不采取降噪措施時(shí)噪聲為88 dB，遠(yuǎn)大于84 dB 這一現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)行的GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》規(guī)定：N2(發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率≥150 kW)車輛的第二階段噪聲≤84 dB(A)——編者補(bǔ)注)。

圖1 底盤(pán)外形圖

2 噪聲源分析

汽車底盤(pán)車外噪聲主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)(本體)噪聲、進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲、輪胎噪聲和制動(dòng)系統(tǒng)噪聲等[1]。大量的試驗(yàn)研究表明，車外噪聲中發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)噪聲約占比60%～65%，甚至達(dá)70%[2](見(jiàn)圖3)；同時(shí)由于冷卻系統(tǒng)上置，風(fēng)扇噪聲對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)處噪聲及其他聲源也有較大影響；還有，整車的輪胎、傳動(dòng)系和制動(dòng)系均為成熟配置，其噪聲控制已達(dá)應(yīng)有水平，故不再在這3 個(gè)系統(tǒng)上考慮降噪。因此，降低車外噪聲，主要從降低和控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、冷卻系風(fēng)扇噪聲和進(jìn)排氣噪聲等4 個(gè)方面來(lái)實(shí)施。

圖2 動(dòng)力模塊布置

圖3 各噪聲源所占比例示意圖

3 噪聲控制方案

本汽車底盤(pán)所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)為已定型狀態(tài)，符合GB/T 14097-2018 《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 噪聲限值測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定點(diǎn)噪聲為97dB；發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)已經(jīng)是最優(yōu)化狀態(tài)。從底盤(pán)安裝匹配的角度來(lái)看，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的措施有阻尼、隔振、吸聲，如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加裝局部和整體減振、吸音裝置；發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)的安裝連接，使用已定型的橡膠緩沖塊，但單獨(dú)開(kāi)發(fā)有難度，故集中在吸音和隔音控制。材料的吸隔音性能與其價(jià)格成正比，因此在選取優(yōu)良的吸隔音材料的同時(shí)，也要考慮底盤(pán)的價(jià)格定位。

降低(控制以致消除)風(fēng)扇噪聲的方法：設(shè)計(jì)高效風(fēng)扇，同時(shí)采用控制裝置使風(fēng)扇在最合適狀態(tài)下工作。

對(duì)于進(jìn)排氣系統(tǒng)，一方面通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制其噪聲，同時(shí)加裝局部和整體減振、吸音裝置，實(shí)現(xiàn)噪聲降低。

汽車聲學(xué)包主要用于解決空氣傳播路徑的噪聲問(wèn)題，在密封性和吸隔聲性能等方面進(jìn)行噪聲控制。汽車上常用的聲學(xué)包材料，一般由不同的隔聲層和吸聲層組合而成，結(jié)構(gòu)形式有2種(如圖4 所示)，一種是雙墻結(jié)構(gòu)，即：裝飾板+吸音材料+鈑金結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)用于方艙等隔熱材料，需要在隔熱降噪材料外露的情況下使用)，能夠充分發(fā)揮對(duì)噪聲的阻隔作用；另一種是鈑金+吸音材料( 隔熱、降噪材料不外露)，能夠充分發(fā)揮吸音材料的吸聲作用。

圖4 聲學(xué)包結(jié)構(gòu)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)降噪方案

為了有效阻止發(fā)動(dòng)機(jī)等的噪聲的擴(kuò)散，使加速噪聲達(dá)到更低，在發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)和頂部加裝鈑金＋吸音材料隔音罩(如圖5、6)，主要結(jié)構(gòu)為鋁合金板材+隔音材料(隔音材料如圖7)：表層為拒水、耐高溫吸音無(wú)紡布，第2 層為聚酯泡沫，第3 層為鋁合金板材。安裝隔聲罩后，經(jīng)過(guò)測(cè)試，可使加速噪聲降低4 ～5 dB(A)左右，降低底盤(pán)噪聲明顯。對(duì)于后部是否安裝隔聲罩，由于后部有貨箱阻擋，噪聲的能量全部衰減，不會(huì)導(dǎo)致噪聲增大，故后部隔聲罩可不安裝。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)頂部與左側(cè)增加隔音罩

圖7 隔音材料

3.2 冷卻系風(fēng)扇降噪方案

為了有效降低風(fēng)扇噪聲，冷卻系統(tǒng)匹配了電磁控制式液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇(見(jiàn)圖8)。電磁式風(fēng)扇能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，自動(dòng)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，有效降低風(fēng)扇無(wú)用功，同時(shí)降低風(fēng)扇噪聲功率，有效改善車外噪聲。

關(guān)于電磁式風(fēng)扇風(fēng)量的大小，控制器從CAN 總線上接收發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度、進(jìn)氣溫度，通過(guò)邏輯關(guān)系控制策略，控制比例電磁閥的開(kāi)度和停轉(zhuǎn)控制閥，進(jìn)而控制變量泵流量，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)或停止，來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇無(wú)級(jí)調(diào)速。當(dāng)車輛空載時(shí)(噪聲測(cè)試要求)，風(fēng)扇以很小的功率運(yùn)轉(zhuǎn)，即可保證發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需要。通過(guò)設(shè)計(jì)匹配電磁式風(fēng)扇，可使車外噪聲降低6 ～7 dB(A)左右。

圖8 風(fēng)扇液壓驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3.3 進(jìn)排氣系統(tǒng)的降噪方案

進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一方面要確保進(jìn)氣系統(tǒng)空氣濾的容量是發(fā)動(dòng)機(jī)排量的3 ～5 倍，消聲器容量是發(fā)動(dòng)機(jī)排量的5 ～10倍[2]；另一方面，進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)及進(jìn)出口均上置、側(cè)排，噪聲的輻射強(qiáng)度小。

4 方案的實(shí)施

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)降噪方案的實(shí)施

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)和頂部加裝隔音罩(如圖5、6)，加裝材料為：鋁合金板材+隔音材料；在發(fā)動(dòng)機(jī)及輔助系統(tǒng)后部也設(shè)計(jì)安裝了隔聲罩，作為補(bǔ)充措施，確保滿足降噪目標(biāo)。

4.2 冷卻系風(fēng)扇降噪方案的實(shí)施

冷卻系統(tǒng)采用電磁控制式液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，其風(fēng)量大小通過(guò)控制器從CAN 總線上接收發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度、進(jìn)氣溫度，并通過(guò)邏輯關(guān)系的控制策略控制比例電磁閥開(kāi)度，進(jìn)而控制變量泵流量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇無(wú)級(jí)調(diào)速。當(dāng)車輛空載時(shí)(噪聲測(cè)試要求)，風(fēng)扇以很小的功率運(yùn)轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)(小的噪聲)，即可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需要，發(fā)動(dòng)機(jī)大功率或大轉(zhuǎn)矩工作時(shí)，也可以使用大功率風(fēng)扇來(lái)保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

4.3 進(jìn)排氣系統(tǒng)降噪方案的實(shí)施

進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一方面確保進(jìn)氣系統(tǒng)空氣濾的容量是發(fā)動(dòng)機(jī)排量的5 倍，消聲器容量是發(fā)動(dòng)機(jī)排量的8 倍；另一方面，進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)及進(jìn)出口均上置、側(cè)排(離地高度2.3 ～2.4 m)，遠(yuǎn)高于1.2 m 的測(cè)試位置，使噪聲的輻射強(qiáng)度最小化。

5 測(cè)試和驗(yàn)證

鑒于理論分析是定性分析，而實(shí)際的噪聲定量不足。為了確保降噪和底盤(pán)的環(huán)境適應(yīng)性均滿足要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

噪聲測(cè)量，按照 GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量；熱平衡試驗(yàn)，按照GB/T125 42-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》，使用拖車法和轉(zhuǎn)轂法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。具體測(cè)量方案：底盤(pán)在原始狀態(tài)(狀態(tài)1)，加裝左、右和上部護(hù)罩(狀態(tài)2)，加裝左、右、后和上部護(hù)罩(狀態(tài)3)下，測(cè)量噪聲及熱平衡。其中，狀態(tài)2 和3 均有電磁風(fēng)扇起作用和不起作用2 種狀態(tài)。底盤(pán)3 種狀態(tài)下噪聲及熱平衡測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 車外噪聲測(cè)試結(jié)果

由表1 可以看出：原始狀態(tài)(狀態(tài)1)時(shí)，底盤(pán)噪聲最高，達(dá)到88 dB；加裝左、右和上部護(hù)罩(狀態(tài)2)后噪聲降低近3 dB，采用電控風(fēng)扇后又降低1.6 dB；加裝左、右、后和上部護(hù)罩(狀態(tài)3)后，噪聲降低了0.9 dB，與方案設(shè)計(jì)相符。

加裝隔熱罩后，冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，后部隔熱罩對(duì)底盤(pán)的高溫適應(yīng)性有特別大的影響：加裝左、右和前部護(hù)罩，不加裝后部護(hù)罩，冷卻系統(tǒng)可以滿足環(huán)境溫度+69 ℃下使用；但加裝后部護(hù)罩后，環(huán)境溫度僅能滿足+35 ℃下使用；加裝后護(hù)罩后，環(huán)境適應(yīng)性降低了34 ℃。同時(shí)，駕駛員后背的溫度也受后部加裝護(hù)罩的影響，比環(huán)境溫度高了7.7 ℃。顯然，后部護(hù)罩將冷卻系統(tǒng)的熱氣流阻擋住，排不出來(lái)，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)散熱能力急劇降低，雖然在噪聲控制上降低了0.9 dB，但對(duì)冷卻系的影響是巨大的；不安裝后部護(hù)罩，噪聲83.5 dB，同樣也可以滿足指標(biāo)。

由上看出，加裝左右和前部護(hù)罩，不加裝后部護(hù)罩，是降噪最佳方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

法規(guī)的嚴(yán)厲性和用戶對(duì)舒適性的追求，使整車噪聲性能優(yōu)化技術(shù)在汽車工程開(kāi)發(fā)中正顯現(xiàn)出越來(lái)越重要的地位。合理運(yùn)用汽車聲學(xué)包降噪技術(shù)，可以有效降低汽車底盤(pán)外部噪聲。本文在實(shí)際工作中，通過(guò)理論分析和建立模型，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比和數(shù)據(jù)分析，既保證了整車的高溫環(huán)境適應(yīng)性，又實(shí)現(xiàn)了底盤(pán)噪聲控制，為行業(yè)解決類似問(wèn)題提供了經(jīng)驗(yàn)。