喬向華

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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某SUV車型加速車內(nèi)轟鳴聲問題分析

喬向華1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

摘要：汽車內(nèi)部噪聲和振動，往往是由多個激勵源，經(jīng)由不同的路徑傳遞至目標(biāo)位置后相互疊加而成。怎樣將各個激勵產(chǎn)生的效果進(jìn)行建模及分析，以使車內(nèi)噪聲控制在預(yù)定的目標(biāo)值內(nèi)，是現(xiàn)代汽車工業(yè)重點(diǎn)研究的課題。以某SUV車型三、四擋2 000 r/min以下加速車內(nèi)轟鳴聲問題為例，運(yùn)用各工況下的測試數(shù)據(jù)建立傳遞參數(shù)模型，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)分析解決NVH感知問題。

關(guān)鍵詞：車內(nèi)噪聲；傳動路徑；傳遞函數(shù)；參數(shù)模型

0引言

當(dāng)今社會，汽車不僅僅是一種交通工具，人們賦予了它更多的定義，對駕駛舒適性、娛樂性要求日益提升。其中NVH更是衡量汽車舒適性的重要指標(biāo)，給駕乘人員的感受是最直觀的。NVH是噪聲、振動與聲振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文縮寫，這是衡量汽車制造質(zhì)量的一個綜合性問題。車內(nèi)噪聲往往伴隨動力總成系統(tǒng)激勵，經(jīng)由車架、車身懸置等傳遞至駕駛室，從而引起駕乘人員感官體驗(yàn)。在進(jìn)行汽車NVH問題的分析和改進(jìn)過程中，如能準(zhǔn)確地判斷出各主要激勵源和傳遞路徑的貢獻(xiàn)量，并針對貢獻(xiàn)量大的位置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，則能夠大大提高工作及問題解決效率。

1工況傳遞建模分析基本原理

工況傳遞建模分析的基本原理是假設(shè)汽車內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓及振動水平，是由多個激勵源，在不同的工作載荷[1]下，經(jīng)由不同的路徑抵達(dá)目標(biāo)位置后疊加而成的。如公式(1)：

(1)

其中：yk為目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)；

Fi為激勵力，表示由振動源作用在機(jī)械系統(tǒng)上的結(jié)構(gòu)載荷；

Qj為體積加速度，表示由聲源發(fā)出的聲載荷；

NTFik與NTFjk表示激勵力i或聲源j到響應(yīng)點(diǎn)k的傳遞函數(shù)。

工況傳遞建模分析，它是在傳遞路徑基本分析方法的基礎(chǔ)上，建立簡單的激勵源-路徑-響應(yīng)模型，確定各途徑激勵的能量在整個問題中所占的比例，找出此傳遞模型上對車內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，利用各個工況實(shí)車測試結(jié)果，使用參數(shù)化模型，將車內(nèi)噪聲控制在一個更加合理的范圍內(nèi)，滿足駕乘人員對噪聲品質(zhì)要求。

2車內(nèi)噪聲控制方法

如上所述，車內(nèi)轟鳴噪聲的頻率范圍通常在 50～200 Hz 之間，而一般的材料對中低頻噪聲的吸收能力是有限的，因此采用吸聲措施來被動降低轟鳴噪聲效果是不理想的。車內(nèi)轟鳴噪聲的產(chǎn)生存在以下幾方面可能：(1)發(fā)動機(jī)振動頻率與車身模態(tài)的耦合；(2)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與駕駛室聲學(xué)模態(tài)的耦合；(3)傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動輸入，通過懸掛或者后橋傳遞到車身與車身模態(tài)耦合。根據(jù)車內(nèi)轟鳴噪聲的主要特性和產(chǎn)生機(jī)制，一般通過以下方式來降低車內(nèi)轟鳴噪聲。

2.1主動控制措施

在車輛前期策劃階段，在保證發(fā)動機(jī)輸出性能前提下，可通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，如使噴油量、點(diǎn)火提前角、節(jié)氣門開度等達(dá)到完美配合，以降低發(fā)動機(jī)曲軸和飛輪的扭矩波動，降低發(fā)動機(jī)本體振動；在傳動系統(tǒng)增加振動衰減結(jié)構(gòu)，如柔性聯(lián)軸器、扭轉(zhuǎn)減震器等機(jī)構(gòu)，亦可降低通過發(fā)動機(jī)本體傳遞來的激勵；對于發(fā)動機(jī)本體輸出而言，采用增加雙質(zhì)量飛輪能將扭轉(zhuǎn)振動峰值移動到怠速轉(zhuǎn)速以下，從而很好地避免了在常用行駛工況下傳動系統(tǒng)引發(fā)的車內(nèi)轟鳴。另一方面，在整車設(shè)計(jì)初始階段，對發(fā)動機(jī)激勵頻率、傳動系統(tǒng)彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)以及車身模態(tài)進(jìn)行良好的分離，能從根本上避免因模態(tài)耦合而引發(fā)的轟鳴噪聲。

2.2被動控制措施

在樣車制造出后，因車身模具或車身外形無法更改，車內(nèi)型腔結(jié)構(gòu)、頻率已趨于固定，動力系統(tǒng)的匹配已經(jīng)完成，如重新匹配則會浪費(fèi)較大人力、物力，且會錯過車輛上市最佳時機(jī)，給車企造成不可估量的損失，因此往往需要通過被動的方式來降低轟鳴噪聲。如在車身增加阻尼或加強(qiáng)材料，來衰減車身鈑金振動或者改變車身模態(tài)；可以通過在傳遞路徑上增加調(diào)諧質(zhì)量阻尼器或者扭轉(zhuǎn)減震器的方式來降低傳動系統(tǒng)對車身的振動輸入；同時也可以在車內(nèi)型腔增加吸音、隔音材料，吸收、隔斷噪聲傳遞至駕駛室。總之，目前車內(nèi)轟鳴噪聲的現(xiàn)象已經(jīng)較廣泛地存在，通過主動和被動相結(jié)合的方法能對轟鳴噪聲起到較好的優(yōu)化效果。

3應(yīng)用實(shí)例

非承載式SUV往往通過采用大功率、大扭矩的發(fā)動機(jī)及后橋驅(qū)動形式實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的越野性能，發(fā)動機(jī)扭矩波動往往帶來負(fù)面的NVH影響。下面以某SUV車型三、四擋2 000 r/min以下加速車內(nèi)轟鳴聲問題為例，利用工況傳遞建模分析方法，找到主要激勵源與貢獻(xiàn)量，結(jié)合各工況路試采集所得數(shù)據(jù)，建立工況傳遞分析參數(shù)模型，提出改善意見并進(jìn)行改善后效果驗(yàn)證。通過此傳遞建模分析，大大提高了NVH優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)的效率與準(zhǔn)確性。

3.1過程分析

結(jié)合車輛問題發(fā)生工況，通過主觀評價，發(fā)現(xiàn)該車輛三、四擋全速全負(fù)荷1 200～2 000 r/min時，駕駛員位置、后排乘客位置有較大的轟鳴聲，最高約71 dB(A)，長時間駕乘會令人感覺煩躁，不能接受。對此問題車，在消聲室內(nèi)及實(shí)驗(yàn)場對整車進(jìn)行噪聲測試，測試工況為三、四擋全負(fù)荷加速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800～4 000 r/min時駕駛員、后排乘客位置噪聲。經(jīng)過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，顯示轟鳴聲存在區(qū)域?yàn)? 300、1 620、1 850 r/min附近(見圖1)，主要為二階噪聲，頻率分別為43、54、63 Hz，結(jié)合噪聲頻譜圖(見圖2)，判定為發(fā)動機(jī)激勵所致。

3.2真因查找

通常情況下，激勵源與目標(biāo)分為2個不同的系統(tǒng)，激勵源一側(cè)的結(jié)構(gòu)稱為主動方，目標(biāo)點(diǎn)一側(cè)稱為受動方，而兩者的分界處(被稱為耦合點(diǎn))通過某種耦合元件連接起來，簡單可模型化“激勵源-路徑-響應(yīng)”。結(jié)合主觀評價及客觀測試數(shù)據(jù)，加速車內(nèi)轟鳴聲問題判定為發(fā)動機(jī)激勵通過車身、車架側(cè)懸置、傳動系等多種類型結(jié)構(gòu)聲激勵傳遞至車內(nèi)，在車內(nèi)與車身空腔模態(tài)耦合形成[2]。針對此分析，通過建立傳遞路徑模型，查明問題根源，控制激勵源激勵及傳遞路徑能量消減，降低車內(nèi)轟鳴聲，從而解決此類NVH問題。

3.3傳遞模型建立

不同的噪聲往往經(jīng)由不同的激勵源產(chǎn)生，經(jīng)不同的激勵形式傳遞至響應(yīng)處。車內(nèi)噪聲的來源非常復(fù)雜：發(fā)動機(jī)的振動和噪聲、排氣系統(tǒng)噪聲、風(fēng)扇噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、路面/輪胎振動和噪聲及車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲等。依據(jù)問題產(chǎn)生原理建立排查模型，即“激勵源-路徑-轟鳴聲”傳遞路經(jīng)模型如圖3所示，判斷主要激勵源。

3.4傳遞函數(shù)測試

根據(jù)該模型確認(rèn)在車身側(cè)的9個結(jié)構(gòu)載荷力輸入點(diǎn)和8個聲學(xué)體積加速度輸入點(diǎn)分別布置三向加速度傳感器和麥克風(fēng)，利用體積聲源為激勵，采集各目標(biāo)點(diǎn)到激勵點(diǎn)的傳遞函數(shù)，用于工況傳遞路徑數(shù)據(jù)分析。

針對該車型三、四擋全負(fù)荷工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800～4 000 r/min加速車內(nèi)轟鳴聲問題，測量該車三、四擋全負(fù)荷加速800～4 000 r/min車內(nèi)噪聲、發(fā)動機(jī)懸置主被動側(cè)振動、發(fā)動機(jī)輻射噪聲、進(jìn)排氣噪聲等數(shù)據(jù)，用于傳遞路徑數(shù)據(jù)分析；經(jīng)數(shù)據(jù)測試，該車型發(fā)動機(jī)較競品車發(fā)動機(jī)振動高約30%。

通過模型分析，判定為發(fā)動機(jī)激勵引起車內(nèi)空腔模態(tài)產(chǎn)生耦合所致，NVH問題已嚴(yán)重影響整車品質(zhì)。

3.5數(shù)據(jù)分析

通過軟件計(jì)算得到每條傳遞路徑對駕駛員噪聲的貢獻(xiàn)量，其中發(fā)動機(jī)低頻激勵時貢獻(xiàn)量最大的位置是發(fā)動機(jī)懸置、車架、車身模態(tài)弱為主要貢獻(xiàn)量。

4優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

按照傳遞路徑模型，對此車型2 000 r/min以下加速車內(nèi)轟鳴聲問題進(jìn)行方案論證，如下：

(1)對激勵源進(jìn)行控制。為減小發(fā)動機(jī)正向激勵，通過匹配雙質(zhì)量飛輪減少發(fā)動機(jī)激勵傳輸。經(jīng)試驗(yàn)測試，駕駛員右耳噪聲明顯改善，最高可降低9 dB(A)，車內(nèi)整車轟鳴聲水平降低4～5 dB(A)，改善效果明顯。因考慮整車單車成本，增加約600元，整車質(zhì)量增加約10 kg，匹配周期10～12個月。綜合考慮，此方案不進(jìn)行實(shí)施；

(2)減小激勵傳遞。車架安裝43和53 Hz吸振器[3]，1 300和1 400 r/min轟鳴聲降低2 dB(A)；

(3)增加響應(yīng)位置部件強(qiáng)度。在整車空腔后地板增加補(bǔ)強(qiáng)板，前排轟鳴聲在1 580 r/min附近降低1.5 dB(A) ，后排轟鳴聲在1 700 r/min降低3 dB(A)，見圖4。

(4)車架四梁加強(qiáng)方案。通過對四梁加厚10 mm，前排1 300 r/min轟鳴聲前移到1 225 r/min，峰值降低1.3 dB(A)，后排在1 000～1 600 r/min整體降低1.7～5 dB(A)，見圖5。

5方案選定

因此車為量產(chǎn)狀態(tài)車型，發(fā)動機(jī)、車身、車架等不易更改，動力系統(tǒng)匹配亦完成， 結(jié)合提升方案實(shí)施成本、開發(fā)周期、工程可行性、優(yōu)化效果等，最終確定通過對車架安裝吸振器、后地板加強(qiáng)、車架四梁加強(qiáng)3種方案同步實(shí)施并對問題車輛進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，車內(nèi)前排轟鳴聲整體可降低2 dB(A)，后排可降低3～4 dB(A)，基本達(dá)到了標(biāo)桿車水平，經(jīng)多方評價認(rèn)可改善效果。驗(yàn)證結(jié)論證實(shí)此傳遞路徑建模分析方法為解決NVH綜合問題起到至關(guān)重要的作用。

6經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

類似車內(nèi)加速轟鳴聲等NVH問題，往往由于很多激勵源共同激勵，傳遞至響應(yīng)處，屬于綜合性問題，涉及專業(yè)領(lǐng)域較多，用此路徑傳遞建模分析方法，建立“激勵源-路徑-響應(yīng)”分析模型，可快速有效地找到問題根源并制定行之有效的解決方案。

7結(jié)束語

針對該車型的轟鳴聲問題，從傳遞路徑測試、貢獻(xiàn)量分析、方案驗(yàn)證等方面入手，最終應(yīng)用增加雙質(zhì)量飛輪、車架增加吸振器、后地板加強(qiáng)等方案將問題解決。該案例充分說明傳遞路徑建模分析方法是一種快速、高效的解決方法。在問題驗(yàn)證過程中也反映出發(fā)動機(jī)附件的振動大小、安裝頻率、共振轉(zhuǎn)速等對發(fā)動機(jī)本身振動噪聲性能均有較大影響，可能引起整車NVH問題。因此在整車匹配設(shè)計(jì)開發(fā)中必須高度重視，前期設(shè)計(jì)時要盡量提高其剛度，減少能量傳遞，避開薄弱頻率，防止共振的發(fā)生，從而解決因共振引起的轟鳴聲等一系列問題。工況傳遞建模分析方法，不僅僅在于確定尋找各激勵對整車噪聲與振動的影響程度及作用機(jī)制，更為重要的是為新車開發(fā)過程中提供目標(biāo)值設(shè)定依據(jù)，推薦主要部件結(jié)構(gòu)頻率及響應(yīng)的合理性，預(yù)測新產(chǎn)品NVH性能，從而大大縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn):

【1】常輝，劉文強(qiáng)，吳東風(fēng).傳遞路徑分析技術(shù)在NVH開發(fā)中的應(yīng)用[C]//LMS 中國用戶大會論文集，2011.

【2】趙騫，鄧江華，王海洋.傳動系部件扭轉(zhuǎn)剛度對后驅(qū)傳動系扭振模態(tài)的影響[J].噪聲與振動控制，2011,31(5):49-52.

【3】王小龍，陸靜，年猛.吸振器在汽車振動噪聲控制中的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測試研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015,15(8):233-237.

【4】劉東明，項(xiàng)黨，羅清，等.傳遞路徑分析技術(shù)在車內(nèi)噪聲與振動研究與分析中的應(yīng)用[J].噪聲與振動控制，2007,27(4):73-77.

【5】伍先俊，呂亞東，隋富生.工況傳遞路徑分析法原理及其應(yīng)用[J].噪聲與振動控制，2014,34(1):28-31.

Interior NVH Optimizing of Sports Utility Vehicle Model Acceleration

QIAO Xianghua1, 2

(1.Research & Development Center, Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding Hebei 071000, China; 2.Technical Research & Development Center of Automotive Engineering of Hebei Province, Baoding Hebei 071000, China)

Keywords:Vehicle interior noise; Transfer path; Transmissibility function; Parameter model

Abstract:Vehicle interior noise vibration and harshness (NVH) phenomenon are often composed of multiple incentives in source, through the superposition of different transmission path after arriving at the target location. How the effect of multiple incentive for modeling and analysis, in order to make the interior NVH be controlled within a predetermined target, is an important research topic of modern automobile industry. An example of NVH problem was taken of sports utility vehicle (SUV) model acceleration in shifting gears of 3 and 4. The test data were used in various operating conditions to establish transition parameter model, and the relevant data were used to solve the problem of NVH perception.

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：喬向華(1979—)，男，大學(xué)?？疲嚬こ處?，從事整車設(shè)計(jì)開發(fā)工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。

中圖分類號:U461.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-074-04