劉俊峰 馬春武 李紹義 李澤西

摘 要：文章以某MPV怠速工況下車內(nèi)轟鳴聲為研究對象，研究轟鳴聲產(chǎn)生的機(jī)理，振動(dòng)傳遞路徑和噪聲解決的方案。通過噪聲測試，掃頻分析對車內(nèi)轟鳴聲的激勵(lì)源及問題頻率進(jìn)行辨識(shí);進(jìn)行振動(dòng)傳遞路徑分析，確定了振動(dòng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)懸置傳遞至車身引起;通過對車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試和分析，分析出頂棚的局部模態(tài)同激勵(lì)源頻率接近從而發(fā)生振動(dòng)耦合，引起了車內(nèi)轟鳴。提出了對車身頂棚進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來調(diào)整車身模態(tài)，避讓發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的控制方法。最后對優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的車輛進(jìn)行車內(nèi)噪聲測試和主觀評價(jià)，結(jié)果表明車內(nèi)轟鳴聲問題得到有效解決。

關(guān)鍵詞：轟鳴聲;傳遞路徑;模態(tài)分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-66-04

Abstract： This paper takes the car booming inside at idle of the MPV as the research object， research the mechanism of booming， vibration transfer path and the solution of noise. Through the noise test， frequency sweep analysis， we have identified the excitation source and problem frequency of the booming; The vibration transmission path of mount was analyzed， and the vibration was determined to be mainly caused by the mount of the engine to the vehicle body. Through the modal test and analysis of the car body structure， it is found that the local modal of the roof is close to the frequency of the excitation source， resulting in the vibration coupling， which causes the booming inside the car. Finally， the noise test and subjective evaluation are carried out on the vehicles with the optimized structure， and the results show that the problem of booming inside the vehicle has been effectively solved.

Keywords： Booming; Transmission path; Modal analysis; Structure optimization

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-66-04

引言

在日益競爭激烈的汽車市場上，汽車的駕乘舒適性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，振動(dòng)和噪聲是影響車內(nèi)駕乘舒適性最主要的因素，故而對汽車的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能的研究也愈發(fā)受到重視[1]。轟鳴聲是一種在較窄頻帶內(nèi)，能量分布較為集中的噪聲。此噪聲能給駕乘人員產(chǎn)生顯著的壓耳感，使車內(nèi)乘員感到煩躁不安，頭疼甚至嘔吐。因此，對車內(nèi)轟鳴聲的分析和抑制研究就顯得尤為重要[2]。

本文以某MPV車型出現(xiàn)的怠速轟鳴聲問題為例，通過激勵(lì)頻率辨識(shí)和有限元模態(tài)分析找出了轟鳴聲產(chǎn)生的根本原因，通過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低了轟鳴聲，為解決此類問題提出了一種研究方法與解決方案。

1 轟鳴聲的產(chǎn)生機(jī)理

轟鳴聲作為車內(nèi)舒適性的重大影響因素之一，在進(jìn)行車輛NVH開發(fā)過程中尤為受到關(guān)注。汽車乘員艙的壁板是由多塊薄鋼板沖壓焊接而成，厚度一般是0.7-1.0mm，具有一定的彈性，類似于揚(yáng)聲器的膜，當(dāng)受到發(fā)動(dòng)機(jī)或路面的激勵(lì)傳時(shí)，會(huì)引起車身壁板的振動(dòng)，從而輻射出噪聲[3]?？諝庾鳛閺椥泽w，在密閉的乘員艙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多階的聲腔模態(tài)，車輛在怠速或者行駛過程中，密閉的乘員艙受到低頻激勵(lì)發(fā)生壓縮變形，其內(nèi)的空氣體積就會(huì)變化，易造成車內(nèi)的聲腔與鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)耦合，從而進(jìn)一步形成乘員艙內(nèi)的壓力脈動(dòng)，而壓耳感會(huì)引起車內(nèi)乘員壓抑，煩躁甚至頭暈，惡心的不適感，嚴(yán)重影響車輛的乘坐舒適性[4][5]。

2 實(shí)例分析

2.1 問題描述

某MPV車在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)車輛在怠速工況下，車內(nèi)前后排座位處均存在明顯轟鳴聲。對問題車輛進(jìn)行車內(nèi)噪聲測試。測試場地為半消聲室，測點(diǎn)為前后排左側(cè)耳旁噪聲。采用LMS Test.LAB 12通道數(shù)采設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測得該車前后排左側(cè)耳旁噪聲頻譜數(shù)據(jù)如圖1所示，測試工況怠速D檔A/C OFF，怠速轉(zhuǎn)速為800rpm。

由測試結(jié)果可知，怠速D檔A/C ON @ 800rpm工況下，前后排均出現(xiàn)轟鳴噪聲峰值，噪聲峰值頻率為26.2Hz及其諧次頻率。

2.2 激勵(lì)源辨識(shí)

在怠速工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作范圍內(nèi)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速掃頻來評估發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對車內(nèi)噪聲或振動(dòng)的影響，是一種快捷有效的評估方法。為進(jìn)一步怠速轉(zhuǎn)速對車內(nèi)轟鳴噪聲的影響，對該車進(jìn)行怠速工況的掃頻試驗(yàn)。具體方法是：通過更改發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定怠速轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速從650rpm至900rpm逐級(jí)升高，測量車內(nèi)前后排噪聲，測試結(jié)果如圖2。

由圖2可明顯看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速在750rpm至800rpm區(qū)間時(shí)，車內(nèi)前后排出現(xiàn)峰值噪聲;主觀感受轟鳴聲在怠速750rpm開始出現(xiàn)，在775rpm尤為明顯，在800rpm之后漸漸消失。由此可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與主觀評價(jià)一致，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速對車內(nèi)轟鳴聲有顯著影響。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)基頻計(jì)算公式：

此MPV車型為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)式（1）計(jì)算得到怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)基頻為26.6Hz，與駕駛室內(nèi)轟鳴噪聲發(fā)生頻率吻合，由此可初步判斷此轟鳴聲為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)引起。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的標(biāo)定關(guān)系到整車的動(dòng)力策略調(diào)整，影響重大，不能避開轟鳴聲發(fā)生轉(zhuǎn)速段，故無法通過調(diào)整激勵(lì)源頻率來解決此噪聲。

3 振動(dòng)傳遞路徑分析

動(dòng)力總成到車內(nèi)的傳遞路徑主要有以下幾條：

（1）動(dòng)力總成激勵(lì)通過懸置傳遞到車身;

（2）動(dòng)力總成激勵(lì)通過排氣管吊耳傳遞到車身;

（3）動(dòng)力總成激勵(lì)通過傳動(dòng)軸和懸架傳遞到車身。通過對排氣管吊耳和傳動(dòng)軸的振動(dòng)測試分析，排除了該轟鳴聲由排氣系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)引起的可能性。

3.1 動(dòng)力總成懸置隔振性能測試分析

該車為動(dòng)力總成前置后驅(qū)車型，動(dòng)力總成縱向布置，采取的三點(diǎn)式懸置，左右懸置對稱，后點(diǎn)為變速箱懸置。對懸置進(jìn)行隔振性能測試，在三個(gè)懸置的主動(dòng)側(cè)和被動(dòng)側(cè)分別布置三向加速度傳感器，利用LMS.Test.Lab數(shù)采設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析處理，測試工況為怠速工況，根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算得到懸置的隔振性能如表2所示。

由表2可知，怠速工況下，三個(gè)懸置的X、Y方向的隔振率都達(dá)到了20dB以上，滿足整車在怠速工況下對懸置隔振性能的要求。但是各懸置Z方向的被動(dòng)側(cè)振動(dòng)幅值較其他懸置各向振動(dòng)幅值明顯增大，隔振率接近但未達(dá)到20dB，即發(fā)動(dòng)機(jī)的Z向激勵(lì)仍能通過后懸置傳遞到車身。但本車限于實(shí)際情況，無法對懸置隔振性能進(jìn)行調(diào)校。

3.2 車身結(jié)構(gòu)模態(tài)測試

車身的模態(tài)參數(shù)是車身結(jié)構(gòu)的固有特性，不隨外界激勵(lì)的變化而改變，當(dāng)激勵(lì)源的激勵(lì)頻率與車身結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)或者局部模態(tài)耦合時(shí)，車身會(huì)產(chǎn)生共振從而放大振動(dòng)或者噪聲。為進(jìn)一步確定轟鳴聲的產(chǎn)生機(jī)理，對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測試。激勵(lì)信號(hào)采用激振器的隨機(jī)信號(hào)，在車身上布置多響應(yīng)測點(diǎn)。試驗(yàn)得到車身前6階模態(tài)和振型描述如表3所示。

由表3可知，車身頂棚的第1階（25.9Hz）和第4階模態(tài)頻率（52.3Hz）與車內(nèi)轟鳴噪聲峰值頻率極為接近。綜上分析，該車型在怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)為主要激勵(lì)源，振動(dòng)經(jīng)懸置傳遞到車身;車身頂棚存在與激勵(lì)頻率接近的局部模態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)在車身頂棚處產(chǎn)生共振，引起車內(nèi)密閉聲腔的壓力脈動(dòng)，從而引發(fā)車內(nèi)轟鳴聲。

4 問題解決與驗(yàn)證

由振動(dòng)傳遞路徑可知，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)由懸置傳遞至車身，但本車限于實(shí)際情況，無法對懸置隔振性能進(jìn)行調(diào)校。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)測試結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)頻率與車身的頂棚模態(tài)頻率存在耦合。為進(jìn)一步解決因發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)與車身頂棚結(jié)構(gòu)共振帶來的噪聲問題，結(jié)合工程實(shí)際與成本因素，對車身頂棚提出如下改進(jìn)措施：（1）在頂棚后天窗振幅較大，剛度較低處增設(shè)加強(qiáng)橫梁，提高頂棚天窗的剛度;（2）加強(qiáng)頂棚天窗與側(cè)圍縱梁的焊點(diǎn)強(qiáng)度，加強(qiáng)橫梁與側(cè)圍之間的連接。優(yōu)化后的頂棚結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

車身頂棚結(jié)構(gòu)改進(jìn)后用LMS Test.LAB 數(shù)采設(shè)備進(jìn)行車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)采集，仍然在駕駛員右耳處和后排座椅中間布置麥克風(fēng)，測得該車前后排中間噪聲頻譜數(shù)據(jù)，與原車內(nèi)轟鳴聲噪聲頻譜進(jìn)行對比，如圖4所示。優(yōu)化前后的車內(nèi)噪聲幅值如表4所示。

經(jīng)過車身頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，車內(nèi)前排DRE噪聲在峰值頻率26.2Hz處降低8dB;后排中間噪聲降低約4dB;主觀評價(jià)車內(nèi)噪聲結(jié)果表明，前后排轟鳴聲顯著降低，車內(nèi)噪聲水平可接受。

5 結(jié)論

本文通過車內(nèi)噪聲測試，怠速掃頻實(shí)驗(yàn)，傳遞路徑振動(dòng)分析，模態(tài)分析等方法確定了問題車車內(nèi)轟鳴聲的根本原因：

（1）通過噪聲測試和怠速掃頻試驗(yàn)，確定了車內(nèi)轟鳴聲的激勵(lì)源為發(fā)動(dòng)機(jī)二階點(diǎn)火激勵(lì);

（2）通過對排氣系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)和懸置的振動(dòng)測試，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)是通過懸置傳遞到車內(nèi)的路徑;

（3）通過對車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試和分析，確定了頂棚的局部模態(tài)同激勵(lì)源頻率接近從而發(fā)生共振，引起了車內(nèi)轟鳴;

（4）通過對車身頂棚的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了頂棚易變形處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)頻率，解決了車內(nèi)的轟鳴噪聲問題。

本文結(jié)合振動(dòng)傳遞路徑和車身模態(tài)分析等方法來辨識(shí)轟鳴聲激勵(lì)源及產(chǎn)生機(jī)理的思路在實(shí)際問題解決過程中得到了驗(yàn)證，對于解決車輛開發(fā)過程中的轟鳴聲一類的NVH問題具備一定的借鑒意義。

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