張紅川

某SUV因排氣系統(tǒng)引起的蠕行轟鳴分析與優(yōu)化

張紅川1,2

（1.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；2.河北省汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

某運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（SUV）在整車性能驗(yàn)證階段，主觀評(píng)價(jià)D擋開空調(diào)蠕行行駛車內(nèi)前排轟鳴明顯，且地板伴有明顯振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約930 r/min。通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，頻譜曲線31 Hz處存在明顯峰值，回放濾波聽音確認(rèn)該頻率為問題頻率。通過排氣尾口加大消聲器或斷開排氣吊鉤，確認(rèn)排氣系統(tǒng)為引起蠕行轟鳴的根本原因。結(jié)合傳遞路徑排查和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析，最終確定該問題是由發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)與排氣系統(tǒng)31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)耦合引起的。根據(jù)源-路徑-響應(yīng)原理，分別驗(yàn)證在副消處吊鉤被動(dòng)端加31 Hz吸振器方案，或?qū)擋開空調(diào)蠕行工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至1 050 r/min方案，主客觀評(píng)價(jià)兩種方案均可接受。但綜合考慮整車性能、成本和經(jīng)濟(jì)性等，確定后者為最終實(shí)施方案。

蠕行轟鳴；二階振動(dòng)；排氣系統(tǒng)；主客觀評(píng)價(jià)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，顧客越來越挑剔，汽車轟鳴問題也逐漸引起許多專家、學(xué)者的關(guān)注。袁守利等通過優(yōu)化離合器的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度和傳動(dòng)軸的軸徑，有效改善傳動(dòng)系統(tǒng)的低速扭振問題，同時(shí)使車內(nèi)噪聲降低2～3 dB(A)[1]。王昆等研究發(fā)現(xiàn)，改變離合器的剛度和阻尼，可影響傳動(dòng)系的扭振，從而改善車內(nèi)噪聲和振動(dòng)問題[2]。孫佳等通過在進(jìn)氣系統(tǒng)中加入赫姆霍茲諧振腔，并在安裝點(diǎn)添加橡膠隔震墊，使車內(nèi)噪聲顯著降低[3]。邵立軍等利用仿真分析法，在中通道兩側(cè)增加車身與副車架安裝點(diǎn)，優(yōu)化振聲傳函，從而消除加速轟鳴[4]。宋志輝等通過計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析，優(yōu)化車身安裝點(diǎn)動(dòng)剛度，優(yōu)化車內(nèi)轟鳴問題[5]。

激勵(lì)源與汽車的低頻聲腔模態(tài)耦合或激勵(lì)源與某結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合傳遞至車內(nèi)，導(dǎo)致車內(nèi)形成較大的壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生引起人耳不適的低頻噪聲稱為轟鳴（Booming）[6-7]。轟鳴問題產(chǎn)生的頻率范圍，一般在25～100 Hz之間[8]，且人耳對(duì)其較為敏感。根據(jù)激勵(lì)源將轟鳴分為：動(dòng)力系統(tǒng)轟鳴、傳動(dòng)系統(tǒng)轟鳴、進(jìn)氣系統(tǒng)轟鳴、排氣系統(tǒng)轟鳴和路面行駛轟鳴等。根據(jù)工況將轟鳴分為：怠速轟鳴、起步轟鳴、蠕行轟鳴、加速轟鳴、降速轟鳴和勻速轟鳴等。本文將對(duì)某在研SUV因排氣系統(tǒng)引起的D擋開空調(diào)蠕行行駛工況轟鳴問題，進(jìn)行排查分析并整改。從而為新車型開發(fā)，積累經(jīng)驗(yàn)，提供指導(dǎo)。

1 排氣系統(tǒng)組成

排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般包括熱端和冷端，詳見圖1。排氣系統(tǒng)離發(fā)動(dòng)機(jī)近的部分稱為熱端，一般包括排氣歧管、增壓器（適用于增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)）、催化器和柔性連接等。排氣系統(tǒng)離發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)的部分稱為冷端，一般包括主、副消聲器、中間管道和尾管等。另外，排氣系統(tǒng)通過吊鉤與車身連接。

圖1 排氣系統(tǒng)

2 排氣系統(tǒng)引起車內(nèi)轟鳴機(jī)理分析

發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞至車內(nèi)的基頻噪聲主要用于評(píng)價(jià)轟鳴噪聲，如四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)2階，六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)價(jià)3階。排氣轟鳴噪聲傳播路徑包括：空氣路徑和結(jié)構(gòu)路徑，其傳遞示意圖如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的壓力波，在排氣管道中傳播而形成空氣噪聲，并從排氣尾口經(jīng)過車身輻射至車內(nèi)，這種噪聲稱為空氣傳播噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)由排氣吊鉤傳遞至車身，引起車身振動(dòng)，并通過車身結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)，這種噪聲稱為結(jié)構(gòu)傳播噪聲。

圖2 排氣系統(tǒng)傳遞路徑分析

轟鳴聲頻率計(jì)算式為

/60（1）

式中，為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；為沖程系數(shù)，四沖程=2，二沖程=1。

3 問題描述

某在研運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV），動(dòng)力總成為1.5T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，變速器為雙離合7DCT變速箱，在性能驗(yàn)證階段，主觀評(píng)價(jià)D擋開空調(diào)蠕行行駛車內(nèi)前排轟鳴明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約930 r/min左右，同時(shí)車內(nèi)地板伴有明顯振動(dòng)，此問題嚴(yán)重影響顧客駕駛車輛舒適性，屬于必須解決的整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）問題。

4 問題原因分析

4.1 問題排查

為查找問題原因，首先運(yùn)用LMS公司Test. Lab測試軟件，采集問題樣車在平坦瀝青道路上D擋開空調(diào)蠕行工況的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)。分別對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行排查。

圖3 車內(nèi)噪聲頻譜

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)駕駛員右耳31 Hz處存在47 dB(A)噪聲峰值（即車內(nèi)二階噪聲），如圖3所示，回放濾波聽音確認(rèn)該頻率為問題頻率。從排氣系統(tǒng)尾口噪聲及副消吊鉤振動(dòng)數(shù)據(jù)上看，排氣尾口噪聲在31 Hz處存在峰值如圖4所示，副消吊鉤振動(dòng)在31 Hz處也存在峰值如圖5所示。因此，判斷車內(nèi)轟鳴由排氣系統(tǒng)引起。

圖4 排氣尾口噪聲頻譜

圖5 排氣吊鉤振動(dòng)頻譜

為進(jìn)一步排查該問題是由空氣路徑引起，還是由結(jié)構(gòu)路徑引起，設(shè)計(jì)以下A和B兩組方案進(jìn)行驗(yàn)證：

方案A：在排氣尾口加大消聲器，屏蔽排氣尾口的噪聲，以分析輻射噪聲的貢獻(xiàn)；

方案B：將排氣吊鉤與車身的安裝點(diǎn)斷開，以分析結(jié)構(gòu)噪聲的貢獻(xiàn)。

測試數(shù)據(jù)如下：

方案A對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲水平如圖6所示，排氣尾口噪聲水平如圖7所示。斷開排氣副消處吊鉤方案對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲水平如圖8所示。

對(duì)以上兩種方案數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：方案A駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值降低2 dB(A)，達(dá)到了45 dB(A)，主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)轟鳴無明顯變化；方案B駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值降低6.5 dB(A)，達(dá)到了40.5 dB(A)，主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)無轟鳴。因此，判斷該問題主要貢獻(xiàn)路徑為結(jié)構(gòu)路徑。

圖6 方案A車內(nèi)噪聲頻譜

圖7 優(yōu)化方案排氣尾口噪聲頻譜

圖8 方案B車內(nèi)噪聲頻譜

4.2 傳遞路徑排查

測試排氣系統(tǒng)吊鉤到駕駛員右耳的振聲傳函，數(shù)據(jù)如圖9所示。振聲傳函曲線滿足目標(biāo)要求，且排氣吊鉤到駕駛員右耳傳函在31 Hz附近無明顯峰值。

圖9 副消吊鉤到車內(nèi)振聲傳函曲線

4.3 排氣系統(tǒng)模態(tài)分析

利用有限元分析方法建立排氣系統(tǒng)模型，并對(duì)排氣系統(tǒng)模態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)，如圖10所示。

圖10 31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)

4.4 原因分析

通過分析以上測試數(shù)據(jù)，結(jié)合CAE分析確定此問題產(chǎn)生的根本原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)與排氣系統(tǒng)31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)耦合。放大的振動(dòng)通過副消處吊鉤傳遞至車內(nèi)，從而引起車內(nèi)轟鳴。

5 方案制定及驗(yàn)證

為驗(yàn)證該問題，是由發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)與排氣系統(tǒng)31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)耦合引起的。根據(jù)源-路徑-響應(yīng)原理，制定以下兩個(gè)驗(yàn)證方案：

方案一：副消處排氣吊鉤被動(dòng)端加31 Hz吸振器（傳遞路徑方案）；

方案二：將問題工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至 1 050 r/min（激勵(lì)源方案）。

該問題樣車分別實(shí)施以上兩種方案后，車內(nèi)駕駛員右耳噪聲頻譜，如圖11所示。分析數(shù)據(jù)可知：方案一車內(nèi)駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值降低4.5 dB(A)，達(dá)到42.5 dB(A)，主觀評(píng)價(jià)可接受；方案二車內(nèi)駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值頻率移至35 Hz處，且降低5.6 dB(A)，達(dá)到41.4 dB(A)，主觀評(píng)價(jià)可接受。為驗(yàn)證方案一致性，將2號(hào)車輛（排查車輛視為1號(hào)車）根據(jù)方案二進(jìn)行驗(yàn)證。主觀評(píng)價(jià)兩輛車無明顯區(qū)別，客觀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩輛車一致性也較好，數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 車內(nèi)駕駛員右耳噪聲頻譜

圖12 方案一致性驗(yàn)證

根據(jù)以上方案驗(yàn)證，可以判斷該問題確實(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)與排氣系統(tǒng)31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)耦合引起的。

6 總結(jié)

針對(duì)某在研SUV車型性能驗(yàn)證階段出現(xiàn)的D擋開空調(diào)蠕行轟鳴問題，從試驗(yàn)出發(fā)對(duì)問題進(jìn)行研究，結(jié)合路徑排查及CAE分析確定引起該問題的根本原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)與排氣系統(tǒng)31.5 Hz垂向彎曲模態(tài)耦合。放大的二階振動(dòng)通過排氣吊鉤傳遞至車內(nèi)，從而引起車內(nèi)轟鳴噪聲。

副消處排氣吊鉤被動(dòng)端加31 Hz吸振器或?qū)擋開空調(diào)蠕行工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升至1 050 r/min，車內(nèi)駕駛員右耳噪聲均明顯降低，且主觀評(píng)價(jià)均可接受。但該車處于性能驗(yàn)證后期階段，考慮排氣系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，周期長、費(fèi)用高，不在重新設(shè)計(jì)排氣。同時(shí)，因D擋開空調(diào)蠕行工況為不常用工況，且綜合考慮整車性能、成本和經(jīng)濟(jì)性等，最終確定方案二為解決該問題的實(shí)施方案。

通過對(duì)D擋開空調(diào)蠕行轟鳴問題分析研究，總結(jié)出排氣系統(tǒng)引起車內(nèi)噪聲振動(dòng)問題的可能原因以及排查思路，從而為車型前期開發(fā)，避免類似問題后期發(fā)生提供指導(dǎo)意見。

[1] 袁守利,尹凡,劉志恩.某SUV車內(nèi)低速轟鳴的分析與 優(yōu)化[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018(4):397-402.

[2] 王昆,蘇彬,吉麗超,等.傳動(dòng)系扭振對(duì)MPV車內(nèi)轟鳴聲影響的控制研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2018(2):77- 82.

[3] 孫佳,周丹丹,羅恩志.某型車進(jìn)氣轟鳴問題研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2016(6):202-205.

[4] 邵立軍,李京福,鄂世國,等.基于仿真分析的汽車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化[J].北京汽車,2019(6):16-20.

[5] 宋志輝,郭錦鵬,湯勇.提升車身動(dòng)剛度解決車內(nèi)轟鳴現(xiàn)象的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,44(16):115-117.

[6] 吳文江,董紅濤,劉佳.某車型轟鳴問題實(shí)驗(yàn)控制方法研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,44(6):120-123.

[7] 王若平,張旭,夏仕朝,等.某MPV車內(nèi)轟鳴噪聲試驗(yàn)分析與降噪改進(jìn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）,2018 (1):28-34.

[8] 楊仕祥,史文庫,陳志勇,等.某商用車轟鳴問題的分析與控制[J].汽車工程,2018(2):214-220.

Analysis and Optimization of Creeping Booming Causedby Exhaust System in an SUV

ZHANG Hongchuan1,2

( 1.Great Wall Automobile Company Limited, Baoding 071000, China;2.Hebei Automotive Technology Innovation Center, Baoding 071000, China )

In the performance verification stage of a certain sport utility vehicle(SUV), the subjective evaluation D gear the air conditioner creeping car in the front row of the car booming obviously, and the floor is accompanied by obvious vibration, and the engine speed is about 930 r/min. Through the analysis of the measured data, it is found that there is a significant peak at the spectral curve of 31 Hz, and the playback filter listener confirms that the frequency is a problem frequency. By increasing the muffler at the exhaust tail or disconnecting the exhaust hook, the exhaust system is confirmed to be the root cause of the creeping booming. Combined with the transfer path investigation and computer aided engineering (CAE) analysis, it is finally determined that the problem is caused by the coupling of the engine's second order vibration to the 31.5 Hz vertical bending mode of the exhaust system. According to the principle of source-path-response, the scheme of adding 31 Hz absorber to the passive end of the hook at the sub-elimination place is formulated, or the engine speed of the Dgear air conditioner creeping condition is increased to 1 050 r/min, and the subjective and objective evaluation of both schemes is acceptable. However, considering the performance, cost and economy of the whole vehicle, the latter is determined to be the final implementation plan.

Creeping Booming; Second order vibration; Exhaust system; Subjective and objective evaluation

U462

A

1671-7988(2023)11-169-05

張紅川（1988－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嘚VH，E-mail:1007015451@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.031