毛 杰 陳志東 邱 毅 周昌水 張亞楠 姚再起

（1-浙江吉利控股集團有限公司汽車工程學(xué)院 浙江 杭州 310000 2-吉利汽車研究開發(fā)（寧波）有限公司 3-浙江大學(xué)能源工程學(xué)系）

引言

寬泛地講，整車結(jié)構(gòu)NVH 問題可以大致分為動力和底盤NVH 兩大類。其中，動力NVH 問題因工況復(fù)雜（怠速、加速、滑行、啟動/熄火等）、問題頻段寬（怠速低頻抖動、加速低頻轟鳴、滑行高頻嘯叫、啟動低頻沖擊等），對內(nèi)燃機車型的整車NVH 開發(fā)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

在動力總成運行工況引起的整車振動和噪聲仿真開發(fā)方面，王偉東等[1]基于CAE 預(yù)測了四缸發(fā)動機氣體力激勵和慣性力激勵下的怠速工況座椅振動，結(jié)合傳遞路徑分析提出了懸置支架優(yōu)化方案，使振動性能達到設(shè)計目標。馮擎峰等[2]搭建整車有限元仿真模型，預(yù)測了節(jié)氣門全開工況下的車內(nèi)噪聲，并準確地復(fù)現(xiàn)了3 300～3 700 r/min 實車加速轟鳴問題。石代云等[3]基于搭建了發(fā)動機與懸置系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真模型，研究了不同懸置系統(tǒng)對整車啟動性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)懸置系統(tǒng)的彈性軸與扭矩軸之間的距離減小時，車內(nèi)振動會明顯減小。

目前，在動力總成引起的整車結(jié)構(gòu)振動和噪聲的開發(fā)方面，工程師可以通過成熟的CAE 方法開展仿真分析和優(yōu)化。然而，在整車聲品質(zhì)的開發(fā)方面，業(yè)內(nèi)主要依賴于測試手段[4-5]，這也意味著動力總成引起的整車聲品質(zhì)問題[6]需要樣車出來后才能評價，可能造成開發(fā)周期的延長、設(shè)計變更成本的上升、人力投入的增加等問題。

在上述背景下，本文基于時域傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis，TPA）方法，搭建了某轎車的整車仿真—測試混合TPA 模型，可以實現(xiàn)噪聲的回放、編輯、以及仿真方案的效果評價。

1 時域TPA 理論

傳遞路徑分析（TPA）目前已廣泛應(yīng)用于汽車NVH的開發(fā)工作中[7-8]，對于識別振動或噪聲問題的關(guān)鍵路徑、提出針對性的優(yōu)化方向，具有直接且有效的作用。

常見的TPA 分為頻域和時域兩種。頻域TPA 用工作載荷的頻譜乘以傳遞函數(shù)的頻譜，得到該條路徑的頻域貢獻量，最后疊加所有結(jié)構(gòu)聲和空氣聲貢獻路徑得到車內(nèi)總噪聲。

而時域TPA 用工作載荷的時域時間與傳遞函數(shù)的逆FFT 做卷積，得到該條路徑的時域貢獻量。

時域TPA 方法在汽車NVH 開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用價值，比如：

1）內(nèi)燃機車型的啟動/熄火是一個瞬態(tài)工況，適合從時域上進行分析和優(yōu)化；

2）聲音的回放功能可以有效減少實車調(diào)教過程中的“試錯”次數(shù)，提高開發(fā)效率，同樣需要適合從時域上進行結(jié)構(gòu)聲和空氣聲的分析和優(yōu)化。

2 加速聲品質(zhì)問題描述

在發(fā)動機加速過程中，通常會出現(xiàn)兩類噪聲問題，分別是加速轟鳴問題和加速聲品質(zhì)問題。

2.1 加速轟鳴問題

加速轟鳴問題普遍存在于三缸機和四缸機的傳統(tǒng)動力配置車型中，一般由其點火主階次噪聲成分超標引起，如三缸機的1.5 階和四缸機的2 階噪聲。在眾多轟鳴問題中，發(fā)動機節(jié)氣門全開（Wide-Open Throttle，WOT）轟鳴由于工況惡劣、激勵大，是整車開發(fā)過程中最易出現(xiàn)且最難解決的NVH 問題之一[2]。但由于主階次轟鳴問題通常出現(xiàn)在200 Hz 以內(nèi)，依靠業(yè)內(nèi)比較成熟的整車有限元仿真方法，已經(jīng)可以準確通過CAE 手段進行復(fù)現(xiàn)和優(yōu)化，如懸置襯套動剛度優(yōu)化、懸置支架被動側(cè)NTF 優(yōu)化等，控制傳遞路徑和車身靈敏度有效降低轟鳴。因此，相關(guān)工作不在本文中贅述。

2.2 加速聲品質(zhì)問題

近年來，隨著發(fā)動機本體輻射噪聲的持續(xù)降低以及200 Hz 以內(nèi)的車內(nèi)轟鳴問題的有效改善，在缺少相關(guān)噪聲的掩蔽效應(yīng)后，一些中高頻段的動力總成噪聲問題逐步突顯了出來，其噪聲特性給駕駛員或乘客帶來一種“雜音”、“不好聽”的主觀感覺，本文統(tǒng)一稱之為加速聲品質(zhì)問題。

加速聲品質(zhì)問題一般因為部分零部件在中高頻段產(chǎn)生共振進而放大了激勵或傳遞路徑。在問題頻段內(nèi)，動力總成、懸置、車身等“來源-路徑-響應(yīng)”系統(tǒng)均存在引起加速聲品質(zhì)問題的元素，比如在300～500 Hz 甚至更高的頻段內(nèi)：

1）在來源上，發(fā)動機和變速箱的裝配一致性、點火角對燃燒特性的影響等會導(dǎo)致中高頻段的載荷擾動大，又因該頻段內(nèi)存在曲軸軸系的模態(tài)、動力總成的模態(tài)等，進而在相關(guān)模態(tài)頻率下形成較大的激勵。

2）在路徑上，若懸置的主被動側(cè)支架設(shè)計不合理，同樣會在問題頻段內(nèi)出現(xiàn)支架的整體模態(tài)，進而引起路徑的共振并放大激勵的傳遞。另外，與低頻段轟鳴問題不一樣的是，加速聲品質(zhì)問題還會通過機艙的管路（如空調(diào)管路）的高頻振動進行傳遞，控制難度也會加大。

3）在響應(yīng)上，無論是懸置還是管路路徑，因300 Hz以上車身存在大量的局部模態(tài)，因此通過車身鈑金結(jié)構(gòu)進行加速聲品質(zhì)的控制是一項難度非常大的工作，因此本文主要推薦前兩種途徑。

從以上描述中可以看到，加速聲品質(zhì)是對傳統(tǒng)動力總成NVH 性能的更高要求，而且因其路徑多、頻段寬，單純依靠CAE 的手段很難準確地復(fù)現(xiàn)問題并優(yōu)化。比如，在整車有限元模型中，業(yè)內(nèi)普遍的仿真方法無法考慮動力總成到管路的傳遞路徑。

3 加速聲品質(zhì)仿真和優(yōu)化

基于加速聲品質(zhì)的開發(fā)需求以及CAE 方法在該問題中的技術(shù)瓶頸，本文首先采用時域TPA 方法對某四缸機轎車的加速聲品質(zhì)問題進行復(fù)現(xiàn)，鎖定關(guān)鍵貢獻路徑和問題頻段，接著采用CAE 方法對特定頻段的子系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.1 基于時域TPA 的問題復(fù)現(xiàn)

某車型搭載渦輪增壓四缸汽油機后，在3 擋全油門工況下存在加速聲品質(zhì)問題，主觀“雜音感”較強。該工況下通過車內(nèi)駕駛員耳旁傳聲器直接測得的車內(nèi)噪聲結(jié)果如圖1 所示，其中橫坐標是頻率，縱坐標是轉(zhuǎn)速。從圖中可以看到，隨著縱坐標轉(zhuǎn)速的上升，在橫坐標500～650 Hz 頻段內(nèi)一直存在共振帶，即本文關(guān)注的加速聲品質(zhì)問題。

圖1 車內(nèi)噪聲瀑布圖：車內(nèi)傳聲器測試結(jié)果

此時，因粗糙聲激勵特性和傳遞路徑較為復(fù)雜，若不借助于有效的問題診斷手段，只能在實車上通過試錯的方式進行問題排查，效率低且成本高。因此，本文采用時域TPA 方法進行加速粗糙聲的診斷分析。加速聲品質(zhì)問題的排查主要分為結(jié)構(gòu)聲和空氣聲兩大類，其中：

1）結(jié)構(gòu)聲是指動力總成和底盤結(jié)構(gòu)傳遞的噪聲成分，主要包括動力總成懸置、懸架轉(zhuǎn)向節(jié)（輪心）、管路等結(jié)構(gòu)傳遞路徑。

2）空氣聲是指通過發(fā)動機艙內(nèi)聲場和車外空氣聲場傳遞的噪聲成分，主要包括進排氣口、發(fā)動機近場、變速箱近場等空氣傳遞路徑。其中，風(fēng)噪和胎噪因與此加速共振帶問題不相關(guān)，且在光滑轉(zhuǎn)鼓半消聲室內(nèi)相關(guān)問題也不突出，為了減少排查工作量，本文忽略它們對加速聲品質(zhì)問題的貢獻。

為了確保時域TPA 分析的準確性，需要對比車內(nèi)傳聲器測試結(jié)果和TPA 多路徑的合成結(jié)果，如圖1 和圖3 所示。從圖中可以看到，圖3 的時域TPA 合成結(jié)果和圖1 的車內(nèi)傳聲器測試結(jié)果相比，無論是低頻段的階次特性，還是中高頻段共振帶引起的加速聲品質(zhì)特性，兩者都高度一致，從而證明了TPA 模型和結(jié)果的有效性，可以用于加速聲品質(zhì)問題的排查、分析和優(yōu)化。

圖3 車內(nèi)噪聲瀑布圖：時域TPA 合成結(jié)果

3.2 多級TPA 問題分析

基于準確的TPA 結(jié)果，可以快速實現(xiàn)噪聲貢獻路徑的合成和分解，從而確定加速聲品質(zhì)問題的主要貢獻路徑。

如圖4 所示是加速聲品質(zhì)問題的第一級TPA 分解，即結(jié)構(gòu)聲和空氣聲的貢獻量。從圖中可以看到，加速聲品質(zhì)問題主要通過結(jié)構(gòu)聲路徑傳遞到車內(nèi)，空氣聲的貢獻主要體現(xiàn)在低頻段（本文主要指向進排氣的階次噪聲）。因此，某個結(jié)構(gòu)傳遞路徑中存在模態(tài)，引起共振現(xiàn)象的產(chǎn)生并對動力總成的激勵造成了進一步的放大，接下去需要鎖定結(jié)構(gòu)傳遞主路徑。

圖4 加速聲品質(zhì)TPA 分解：結(jié)構(gòu)聲和空氣聲貢獻

如圖5 所示是加速聲品質(zhì)問題的第二級TPA 分解，即由動力總成懸置、懸架、機艙管路組成的結(jié)構(gòu)聲主要貢獻路徑。本文因篇幅不再一一羅列各個路徑、各個方向的瀑布圖，最終確定結(jié)構(gòu)聲成分中，對500～650 Hz 共振帶起主導(dǎo)作用的是右懸置的X 向，說明在車輛急加速過程中，因動力總成存在向后傾倒的現(xiàn)象，導(dǎo)致右懸置襯套出現(xiàn)X 向擠壓，進而通過懸置支架共振或強迫振動傳遞到車內(nèi)引起加速聲品質(zhì)問題。

圖5 結(jié)構(gòu)聲主路徑：右懸置X 向（優(yōu)化前）

3.3 基于CAE 的問題優(yōu)化

對于右懸置X 向結(jié)構(gòu)聲貢獻路徑，理論上可以通過“來源-路徑-響應(yīng)”三個方面進行優(yōu)化。但由于實車階段，“來源”的優(yōu)化涉及動力總成模態(tài)、軸系模態(tài)、裝配間隙等改進，將會造成動力總成的設(shè)計變更，對于一款成熟的動力總成而言并不是一項首選的工作；“路徑”的優(yōu)化主要針對懸置襯套的隔振性能改進，一般需要降低襯套的動剛度以提升隔振性能，對于啟動熄火、怠速等工況的NVH 性能以及高速行駛工況的車輛動力學(xué)性能均會造成影響，同樣不建議作為優(yōu)化工作的首選；因此，“響應(yīng)”的優(yōu)化成為了實車階段改進的重點。

如圖6 所示是加速聲品質(zhì)問題的第三級TPA 分解，即形成右懸置X 向結(jié)構(gòu)聲“X 向激勵×X 向噪聲傳遞函數(shù)”中的X 向噪聲傳遞函數(shù)。從圖6a 中可以看到，右懸置的X 向噪聲傳遞函數(shù)在500～650 Hz 頻段內(nèi)存在明顯的峰值，從而使車內(nèi)噪聲出現(xiàn)了明顯的共振帶。通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在問題頻段內(nèi)，右懸置被動側(cè)支架存在柔性變形模態(tài)，如圖6b 所示。

圖6 右懸置被動側(cè)支架X 向噪聲傳遞函數(shù)和模態(tài)

在項目開發(fā)后期的實車調(diào)校階段，因涉及到模具變更導(dǎo)致的周期延長和費用增加等問題，可以快速地通過吸振器等補救措施進行實車問題的解決。本文主要通過CAE 改變支架的模態(tài)、降低噪聲傳遞函數(shù)的幅值，優(yōu)化效果如圖7 所示。從圖中可以看到，優(yōu)化方案使噪聲傳遞函數(shù)下降了5～10 dB，共振帶引起的加速聲品質(zhì)問題也得到了有效的改善（對比圖5），并且實車驗證后的主觀評價也得到了一致的效果。

圖7 右懸置被動側(cè)支架優(yōu)化效果

4 結(jié)論

本文針對復(fù)雜的加速聲品質(zhì)問題，采用時域TPA 方法進行了問題的分解，并結(jié)合CAE 方法開展了關(guān)鍵路徑的分析和優(yōu)化，可以為相關(guān)工程問題的解決提供技術(shù)參考。

1）基于TPA 技術(shù)多級分解技術(shù)，量化各個貢獻路徑的分解，實現(xiàn)復(fù)雜問題的聚焦。

2）通過試驗-仿真混合的方法，充分發(fā)揮CAE在解決實車工程問題中的能力，解釋問題的本質(zhì)并提出針對性的有效方案，最終使關(guān)鍵路徑噪聲傳遞函數(shù)下降5～10 dB，有效改善了加速聲品質(zhì)問題。