白 楊 ， 徐登洲 ， 李艷明

（1.江鈴汽車(chē)股份有限公司，南昌 330001；2.南昌益輝塑業(yè)有限公司，南昌 330096）

0 引言

隨著人民生活水平的提高，用戶對(duì)車(chē)輛舒適性的需求也越來(lái)越高。作為客戶最能感知的性能之一，NVH（Noise, Vibration and Harshness）備受關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在整車(chē)NVH 性能優(yōu)化上取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，市面上自主品牌車(chē)輛的NVH 性能也越來(lái)越好，這都得益于研究學(xué)者在整車(chē)NVH 開(kāi)發(fā)上深入的研究和實(shí)踐，以及系統(tǒng)集成觀和基于系統(tǒng)目標(biāo)決策的性能設(shè)計(jì)思路把整車(chē)NVH 開(kāi)發(fā)提升一個(gè)等級(jí)[1-3]。

過(guò)去，汽車(chē)NVH 問(wèn)題的解決主要是樣車(chē)制造出來(lái)后進(jìn)行全面測(cè)試，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整改，改進(jìn)方案完成后再裝車(chē)驗(yàn)證，整車(chē)開(kāi)發(fā)70%的時(shí)間都用在問(wèn)題整改上?？煽啃则?yàn)證也往往要重復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[4]?，F(xiàn)在的NVH 開(kāi)發(fā)思路已經(jīng)發(fā)生徹底的改變，主要表現(xiàn)在V 字形的開(kāi)發(fā)過(guò)程和整車(chē)NVH目標(biāo)設(shè)定及分解開(kāi)發(fā)[5-6]。圖1 是當(dāng)前各主機(jī)廠普遍使用的整車(chē)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程。從圖中可以看出，性能目標(biāo)逐層分解后指導(dǎo)各零部件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，各零部件系統(tǒng)完成開(kāi)發(fā)驗(yàn)證后組成整車(chē)，再進(jìn)行整車(chē)級(jí)別的驗(yàn)證。從研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，這個(gè)過(guò)程可以縮短一半的后期整改時(shí)間，減少整改費(fèi)用30%。

由于汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的集成體，即使各系統(tǒng)都達(dá)到分解的性能目標(biāo)，集成在一起并非一定滿足整車(chē)目標(biāo)[7]。一方面，目標(biāo)分解并不是準(zhǔn)確無(wú)誤的，另一方面，還有很多NVH 問(wèn)題是事先不能很好預(yù)測(cè)的；因此，整改還是非常重要。

圖1 整車(chē)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程Fig.1 Development process of vehicle performance

國(guó)外對(duì)NVH 問(wèn)題的研究起步早，研究較深入。KOBIKI 等[8]采用仿真和試驗(yàn)對(duì)比研究車(chē)內(nèi)轟鳴噪聲識(shí)別了關(guān)鍵影響因素。LEE 等[9]主張通過(guò)聲品質(zhì)而不是單純的頻率和響度來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)轟鳴噪聲。國(guó)內(nèi)對(duì)NVH 問(wèn)題關(guān)注較晚但是進(jìn)步很大，尤其通過(guò)傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis,TPA），可以從不同路徑對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析從而識(shí)別出貢獻(xiàn)最大的路徑，指導(dǎo)車(chē)優(yōu)化改進(jìn)。顏伏伍等[10]基于傳遞路徑分析，確定后懸架橫向穩(wěn)定桿與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)耦合引起車(chē)內(nèi)轟鳴，通過(guò)優(yōu)化橫向穩(wěn)定桿使車(chē)內(nèi)轟鳴噪聲得到有效控制。段龍揚(yáng)[11]對(duì)轟鳴噪聲的傳遞路徑進(jìn)行試驗(yàn)識(shí)別，確認(rèn)了傳動(dòng)系統(tǒng)扭振問(wèn)題及后橋模態(tài)對(duì)車(chē)內(nèi)轟鳴噪聲影響。李文武[12]建立車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)模型指導(dǎo)改進(jìn)車(chē)身局部結(jié)構(gòu)與改進(jìn)傳動(dòng)系參數(shù)來(lái)降低車(chē)內(nèi)轟鳴。

本研究針對(duì)柴油皮卡后排座椅處轟鳴聲問(wèn)題，利用傳遞路徑分析，建立NVH 傳導(dǎo)模型并運(yùn)用CAE 輔助找到故障產(chǎn)生原因，確認(rèn)多項(xiàng)糾正措施，以解決該故障。

1 故障背景

柴油2 驅(qū)皮卡（車(chē)輛1），4 檔75%以上油門(mén)加速或3～5 檔勻速行駛時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1400～1500 r/min，車(chē)內(nèi)存在較明顯轟鳴聲，造成耳壓感，后排座椅處最為明顯。將其與同級(jí)別2 款車(chē)（車(chē)輛2、3）進(jìn)行同工況后排座椅處噪聲采樣，車(chē)輛1 在1300～1500 r/min 處存在較明顯的波峰，比車(chē)輛2、3 約高5 dB（圖2）。經(jīng)過(guò)查找，后排座椅處的轟鳴聲是乘員艙后圍板及貨箱前圍板振動(dòng)產(chǎn)生。

2 問(wèn)題排查過(guò)程

圖2 同工況下車(chē)輛1～3 后排座椅處噪聲測(cè)試曲線Fig.2 Vehicle 1～3 noise curve of rear seat under the same working condition

轟鳴問(wèn)題的產(chǎn)生一般是激勵(lì)源產(chǎn)生的激勵(lì)通過(guò)傳遞路徑賦能給響應(yīng)器，使得響應(yīng)器產(chǎn)生振動(dòng)（圖3）。要解決轟鳴問(wèn)題也往往從這3 方面著手，即降低激勵(lì)源的能量、隔斷傳播路徑、減少響應(yīng)器的響應(yīng)能力[7,13]。但最終的考核目標(biāo)應(yīng)是乘客能感知的車(chē)內(nèi)綜合噪聲，主要表現(xiàn)在聲音大小、聲音品質(zhì)和聲音頻率等方面。

因該轟鳴與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有較明顯的關(guān)聯(lián)，故主要排查發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、后橋和輪胎等傳動(dòng)系。表1 為轟鳴激勵(lì)源和傳導(dǎo)路徑分析。

按照該思路，分析結(jié)果為：1）發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和傳動(dòng)軸輻射噪聲無(wú)法將大能量傳遞至響應(yīng)器，且其中高頻聲音與轟鳴所在的低頻區(qū)不吻合；2）各懸置解耦正常，無(wú)法傳遞激勵(lì)；3）車(chē)架模態(tài)、輪胎振動(dòng)與響應(yīng)器頻率間隔很大，不存在傳導(dǎo)可能。對(duì)乘員艙后圍板、貨箱前圍板、傳動(dòng)軸、后橋進(jìn)行CAE 模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，后橋在問(wèn)題工況下有44 Hz左右的振動(dòng)。該頻率與乘員艙后圍板、貨箱前圍板的模態(tài)頻率高度吻合[14]（圖4）。

圖3 共振及噪聲傳導(dǎo)路徑Fig.3 Noise and vibration transmission path

表1 轟鳴激勵(lì)源、傳導(dǎo)路徑分析Table 1 Excitation source & transmission path analysis

通過(guò)CAE 結(jié)果可以確認(rèn)，該問(wèn)題產(chǎn)生和傳導(dǎo)的過(guò)程應(yīng)是：激勵(lì)源為后橋，后橋在問(wèn)題工況下有44 Hz 左右的明顯振動(dòng)。該振動(dòng)通過(guò)空氣傳導(dǎo)到貨箱前圍板。前圍板在40 Hz 附近有明顯模態(tài)，可與后橋產(chǎn)生較為明顯的共振[6,15]。乘員艙后圍板在38～43 Hz 之間也有較為明顯的模態(tài)，可與貨箱前圍板產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生轟鳴。由于乘員艙后圍板振動(dòng)面積大、振幅大，故耳壓感很明顯。

圖4 車(chē)輛1 乘員艙后圍板Fig.4 Rear coaming of crew compartment of vehicle 1

3 改進(jìn)措施

解決共振問(wèn)題的基本原則是從激勵(lì)源、響應(yīng)器、傳導(dǎo)路徑3 方面入手。解決的手段是錯(cuò)開(kāi)模態(tài)、隔斷傳導(dǎo)路徑、減少人耳處接收的聲波。針對(duì)以上問(wèn)題初步尋找改進(jìn)措施方向，見(jiàn)表2，故方案重點(diǎn)在改變響應(yīng)器的模態(tài)及振幅上。

表2 改進(jìn)措施分析Table 2 Improvement measure discussion

3.1 改變貨箱前圍板模態(tài)

因貨箱鈑金模具昂貴，改變結(jié)構(gòu)或增加材料厚度都會(huì)造成模具修模甚至重開(kāi)，損失較大。降低材料厚度可能造成貨箱強(qiáng)度降低，耐用性降低[16-17]。通常作為備選方案。此處選擇在貨箱前圍板CAE 分析會(huì)產(chǎn)生較大共振處補(bǔ)焊型材的方式，如圖5 所示。

貨箱前圍板鈑金厚度為1 mm，對(duì)補(bǔ)焊型材的厚度進(jìn)行厚度和寬度雙變量CAE 迭代分析，厚度下限取0.5 mm，寬度下限取50 mm，要求頻率偏離原有頻率4 Hz 以上[5]（圖6）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，補(bǔ)焊型材寬度大于53 mm，厚度達(dá)到0.43 mm 即可。故取整數(shù)寬為60 mm，厚為0.5 mm。CAE 計(jì)算模態(tài)提升至45.2 Hz。

3.2 優(yōu)化乘員艙后圍板狀態(tài)

圖5 貨箱前圍板補(bǔ)焊型材示意圖Fig.5 Schematic illustration of welding section bar to front coaming of container

圖6 貨箱前圍板補(bǔ)焊型材后模態(tài)分析結(jié)果Fig.6 Modal analysis of front coaming of container after welding section bar

因乘員艙后圍板模態(tài)超標(biāo)區(qū)域面積較大，如果采用改變結(jié)構(gòu)、厚度，或者補(bǔ)焊加強(qiáng)的方式成本都較高。故考慮采用貼阻尼墊的方法，使共振模態(tài)下的振動(dòng)幅度盡量降低，優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖7。

鑒于后圍板的模態(tài)未改變，共振還是會(huì)產(chǎn)生，故在乘員艙后圍板與內(nèi)飾板之間增加一層隔音棉，進(jìn)一步吸收諸如風(fēng)燥、胎噪、輻射噪聲及共振噪聲。

圖7 乘員艙后圍板貼阻尼墊優(yōu)化前后振幅對(duì)比Fig.7 Amplitude comparison of rear coaming of crew compartment before and after optmizing

4 分析與討論

通過(guò)上述分析能夠確認(rèn)，該轟鳴問(wèn)題是后橋振動(dòng)傳遞到貨箱前圍板導(dǎo)致共振，并引起乘員艙后圍板共振產(chǎn)生的。改進(jìn)措施：1）在貨箱前圍板上補(bǔ)焊型材以改變其模態(tài)，使得貨箱前圍板不和后橋產(chǎn)生共振；2）在乘員艙后圍板上增加阻尼墊以減小共振振幅；3）在乘員艙后圍板與內(nèi)飾板之間增加隔音棉吸收和阻隔噪聲。實(shí)施上述優(yōu)化措施，制作樣件裝車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，后排座椅綜合聲音品質(zhì)有明顯提升。在63 Hz 處噪聲降低約2.4 dB，語(yǔ)音清晰度提升10%[18]（圖8）。

針對(duì)整車(chē)轟鳴問(wèn)題的解決，通常在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行全系列CAE 分析預(yù)先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。但是如前文所述，后期進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通過(guò)調(diào)教解決問(wèn)題依舊很重要。針對(duì)進(jìn)氣轟鳴，主要是調(diào)整空濾、進(jìn)氣管和增加諧振腔等方式，需要在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行CFD 分析，確認(rèn)進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)。裝車(chē)后再根據(jù)實(shí)測(cè)值進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)引起的共振，主要是設(shè)計(jì)階段對(duì)懸置橡膠進(jìn)行解耦分析，充分解耦掉發(fā)動(dòng)機(jī)6 個(gè)自由度上的頻率。也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)艙增加聲包裹，隔斷和吸收發(fā)動(dòng)機(jī)及進(jìn)氣系統(tǒng)轟鳴。針對(duì)排氣轟鳴，主要是調(diào)整排氣管的管型和優(yōu)化消聲器。

在整車(chē)設(shè)計(jì)階段務(wù)必對(duì)車(chē)身鈑金、車(chē)架、傳動(dòng)軸和后橋等做模態(tài)分析。設(shè)計(jì)時(shí)要求模態(tài)較低的各零件務(wù)必錯(cuò)開(kāi)模態(tài)頻率5 Hz 以上，且越大越好。在消除共振影響的時(shí)候，不能單一考慮錯(cuò)開(kāi)模態(tài)頻率，也可以用減少共振振幅的方式。在后期問(wèn)題排查階段要注意聲音傳導(dǎo)過(guò)程中的頻率變化。如本研究中后橋振動(dòng)頻率為44 Hz，貨箱前圍板模態(tài)為40 Hz，還會(huì)產(chǎn)生顯著共振的原因是后橋振動(dòng)傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)因?yàn)檐?chē)輛速度產(chǎn)生移頻，貨箱前和乘員艙后圍板間隙在車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)壓，也會(huì)造成振動(dòng)傳導(dǎo)的移頻。估算后橋44 Hz 的頻率在貨箱前圍板處會(huì)變化為約42 Hz。

圖8 后排座椅處綜合聲音品質(zhì)優(yōu)化前后對(duì)比Fig.8 Back row voice quality comparison

5 結(jié)論

1）車(chē)輛轟鳴問(wèn)題為后橋振動(dòng)激勵(lì)貨箱前圍板和乘員艙后圍板所產(chǎn)生。

2）通過(guò)補(bǔ)焊型材改變貨箱前圍板模態(tài)避免共振，通過(guò)貼阻尼墊減少乘員艙后圍板振幅，并增加隔音棉，可以有效解決轟鳴帶來(lái)的影響。