摘要：針對某乘用車在2檔節(jié)氣門全開工況下車內(nèi)噪聲過大的問題，應(yīng)用LMS 測試系統(tǒng)對汽車動力總成的懸置系統(tǒng)進(jìn)行噪聲振動測試和模態(tài)試驗，通過對測試結(jié)果的分析，找到引發(fā)車內(nèi)噪聲過大的共振頻率；應(yīng)用有限元分析軟件模擬后拉桿懸置實際工況和邊界條件并仿真，通過對比分析測試試驗和仿真分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)懸置隔振量小于20dB，不滿足設(shè)計要求；通過在后拉桿懸置增加質(zhì)量塊與調(diào)整橡膠剛度，解決了后拉桿懸置共振與隔振量不足問題。測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的動力總成懸置系統(tǒng)明顯降低了車內(nèi)噪聲與振動。

關(guān)鍵詞：動力總成；NVH；模態(tài)試驗；橡膠剛度；隔振量

1 引言車內(nèi)的振動主要由路面激勵和發(fā)動機(jī)自身的激勵所引起，近年來隨著我國公路質(zhì)量的明顯改善，由路面激勵引起的整車問題逐漸減少，而發(fā)動機(jī)自身激勵引起的振動問題更加凸顯[1]。動力總成懸置系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)振動傳遞的必經(jīng)路徑，因此動力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響了整車NVH性能[2]。國內(nèi)某些學(xué)者通過提高后拉桿懸置支架剛度避開共振模態(tài)頻率，取得了明顯的效果[3]；少部分學(xué)者通過調(diào)整橡膠結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化動力總成懸置系統(tǒng)的隔振特性，改善噪聲與振動向車內(nèi)的輻射[4]；另一些學(xué)者通過優(yōu)化部分車身結(jié)構(gòu)的剛度提高模態(tài)頻率和調(diào)整懸置橡的膠剛度提高隔振量，并取得了顯著效果，提高了整車NVH性能[5]。很少有考慮通過在模態(tài)振型較大的方向增加質(zhì)量塊，有效抑制振型并避開共振頻率。研究對象為國內(nèi)某5座中型SUV，針對該車在2檔節(jié)氣門全開（Wide Open Throttle，WOT）工況下存在的問題，綜合分析測試結(jié)果與仿真結(jié)果，通過在動力總成后拉桿懸置模態(tài)振型大的位置增加質(zhì)量塊來抑制振型，避開共振帶；通過調(diào)整后懸置橡膠參數(shù)，改變橡膠剛度。采用上述措施來改善質(zhì)量測評中存在的問題，提升NVH性能。

2 試驗測試與分析

2.1 噪聲振動測試為解決某車車內(nèi)噪聲振動過大的問題，采用LMS 測試系統(tǒng)對該車進(jìn)行振動、噪聲測試。該車搭載1.5T四沖程發(fā)動機(jī)，工況為2檔WOT，車輛半載，平直干燥瀝青路面。麥克風(fēng)布置在副駕駛右耳，在左右懸置、后拉桿懸置的主動端和被動端分別布置一個PCB三向加速度傳感器。測試結(jié)果，如圖1所示。結(jié)果圖1（a）顯示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1524r/min、1960r/min、2341r/min、3242r/min附近峰值較明顯，最大聲壓級達(dá)到74dB；通過對比發(fā)動機(jī)二階次與四階次噪聲曲線與車內(nèi)噪聲曲線可以得知，噪聲峰值多為發(fā)動機(jī)二階次貢獻(xiàn)；由圖1（b）的車內(nèi)噪聲Colormap圖可以看出，車內(nèi)噪聲在192.4Hz和370Hz附件存在明顯的共振帶。

通過主動端減去被動端的振動量發(fā)現(xiàn)后拉桿懸置隔振量小，具體數(shù)據(jù)，如圖1（c）所示。X、Z向在（2100～5000）r/min范圍內(nèi)隔振量小于20dB；Y向的隔振量在3000r/min以內(nèi)都小于20dB，測試結(jié)果表明后拉桿懸置隔振量不滿足設(shè)計要求。2.2 模態(tài)試驗為尋找動力總成相關(guān)子系統(tǒng)模態(tài)頻率是否與車內(nèi)噪聲頻率發(fā)生共振，對動力總成相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測試，模態(tài)試驗采用LMS測試系統(tǒng)中的Impact Testing模塊進(jìn)行信號采集，在左右懸置、后拉桿懸置等相關(guān)子系統(tǒng)上布置合適的測試點，并粘貼PCB三向加速度傳感器。為保證結(jié)果準(zhǔn)確性，該模態(tài)試驗測試部件在整車實際安裝情況下進(jìn)行。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)后拉桿懸置的二階194.2Hz模態(tài)頻率與車內(nèi)噪聲的192.4Hz共振帶相吻合，該模態(tài)頻率下很可能會產(chǎn)生共振，加劇車內(nèi)噪聲，故需要關(guān)注192.4Hz附近的模態(tài)頻率。具體測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

2.3 后拉桿懸置剛度試驗為驗證懸置隔振率不足是否由橡膠剛度過大所導(dǎo)致，對橡膠塊進(jìn)行軸向（Z向）靜剛度試驗。固定后拉桿支架位置，橡膠塊一端加載向下的力，橡膠塊受力發(fā)生變形，此時位移傳感器和力傳感器分別實時采集橡膠塊變形過程的力和位移，根據(jù)測得數(shù)據(jù)計算出軸向靜剛度，同方法測試X、Y向靜剛度。剛度測試結(jié)果，如表2所示。

通過分析后拉桿懸置振動噪聲測試數(shù)據(jù)和橡膠塊靜剛度測試數(shù)據(jù)，認(rèn)為后拉桿懸置隔振量不足是由橡膠塊靜剛度過大導(dǎo)致。3 懸置隔振量計算理論設(shè)計動力總成懸置時，根據(jù)懸置的結(jié)構(gòu)形式來調(diào)整橡膠的硬度，可以獲得理想的剛度特性，以滿足隔振率要求[6]。懸置的隔振效果通常用振動傳遞率T來度量：

式中：T—懸置振動傳遞率；Ft—懸置隔振傳遞的力的幅值；F0—施加于懸置上的外激勵力幅值；λ—頻率比；ζ—阻尼比。懸置的傳遞率越小，代表懸置系統(tǒng)隔振效果越好，由公式可知，懸置的傳遞率與懸置橡膠的剛度、阻尼、結(jié)構(gòu)相關(guān)。但是在工程實際當(dāng)中，通常用隔振量來表示懸置系統(tǒng)的優(yōu)劣，隔振量是指主動端與被動端振動加速度級，與隔振傳遞率不同的是，隔振量越大，表明懸置隔振情況越好[7]。公式表示如下：

式中：a0—主動端振動加速度；at—被動端的振動加速度。4 后拉桿懸置有限元仿真分析在后拉桿懸置CATIA 模型的基礎(chǔ)上，利用Hypermesh 對后拉桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體單元劃分網(wǎng)格，因零件相對較小，為盡可能提高計算精度，單元尺寸設(shè)定為3mm，螺栓連接均采用RBE2，部件之間網(wǎng)格節(jié)點共用，網(wǎng)格劃分完成后共得到63563個節(jié)點、136386個單元，然后保存為inp 文件并導(dǎo)入ABAQUS，定義材料屬性，模擬實際工況和邊界條件，定義主動端和被動端的加速度為輸出并仿真計算，得到仿真結(jié)果云圖，如圖2所示。將主被動端加速度仿真數(shù)據(jù)代入式（2），得到后拉桿懸置隔振量，如圖3所示。后拉桿懸置在（0～250）Hz范圍內(nèi)，X方向的隔振量都在20dB 以下，Y、Z 方向在整個關(guān)注頻率范圍內(nèi)都小于20dB，尤其是在225Hz的時候，Z 向隔振量只有10dB左右，仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果基本吻合。結(jié)果證明后拉桿懸置隔振量不滿足設(shè)計要求。

5 后拉桿懸置優(yōu)化5.1 后拉桿懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化文章前面在對后拉桿懸置模態(tài)測試和噪聲分析中得知，后拉桿懸置在2 階模態(tài)192.4Hz 時與車內(nèi)噪聲192.4Hz 的共振帶相吻合，可能發(fā)生共振，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)改變這一模態(tài)頻率。

式中：k—剛度；m—質(zhì)量。由公式可知，當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式一定時，固有頻率只與剛度和質(zhì)量有關(guān)[8]。后拉桿懸置2階模態(tài)振型沿Y軸平動，故在Y 方向增加一質(zhì)量塊抑制模態(tài)振型，減小后拉桿懸置模態(tài)。以原狀態(tài)后拉桿懸置模型為基礎(chǔ)，利用有限元Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，尺寸不變，Y向增加的質(zhì)量塊與拉桿節(jié)點共用，模擬后拉桿懸置實際約束情況，進(jìn)行模態(tài)仿真分析，其結(jié)果，如圖4所示。由仿真結(jié)果可得，后拉桿懸置支架一階模態(tài)為139.6Hz，二階模態(tài)為167.8Hz，三階模態(tài)為317.9Hz，增加質(zhì)量塊后，后拉桿懸置各階模態(tài)都有效的避開了共振頻率。

5.2 后拉桿懸置橡膠塊剛度優(yōu)化動力總成懸置隔振量不滿足設(shè)計要求，發(fā)動機(jī)的振動噪聲將通過懸置和車身輻射到車內(nèi)，嚴(yán)重影響車內(nèi)乘客舒適性[9]。通過調(diào)整橡膠的硬度，以獲得理想的剛度特性，能有效的提高懸置系統(tǒng)的隔振效果，因此對動力總成后拉桿懸置塊的剛度進(jìn)行優(yōu)化[10]。保證后懸置橡膠結(jié)構(gòu)不變，選用不同硬度的橡膠可得到不同靜剛度的懸置橡膠塊，選用X向靜剛度為100N/mm，Y、Z向靜剛度為120N/mm 的懸置橡膠塊。應(yīng)用新的材料參數(shù)再次進(jìn)行有限元分析，并計算出隔振量，如圖5所示。仿真結(jié)果顯示，X、Y、Z方向的隔振量都有所提高，并且在整個關(guān)心的頻率范圍內(nèi)隔振量都大于20dB。

6 試驗驗證將優(yōu)化后與原狀態(tài)后拉桿懸置裝車進(jìn)行實車測試，采用LMS 公司的Test.Lab 測試系統(tǒng)的Signature Acquisition 模塊采集數(shù)據(jù)，在前排副駕駛右耳布置麥克風(fēng)測試布置點周圍的聲壓級，來判定車內(nèi)噪聲情況；在后拉桿懸置的主動端和被動端分別布置一個PCB三向加速度傳感器，用以測試車輛在加速過程中的振動特性，具體布置，如圖6所示。車輛在2檔WOT工況下進(jìn)行測試，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲得該工況下后拉桿懸置振動情況和車內(nèi)噪聲的結(jié)果，如圖7所示。

由圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）結(jié)果可知，通過減小后拉桿懸置橡膠剛度，X、Y、Z 三個方向的隔振量都有所提高，并滿足大于20dB的設(shè)計要求。分析圖6（d）結(jié)果，優(yōu)化后車內(nèi)噪聲在1900r/min以內(nèi)變化不大，（1900～5000）r/min 范圍內(nèi)噪聲聲壓級整體下降，其中在2300r/min、3200r/min 附近聲壓級降低明顯，最高達(dá)到4.1dB。綜上所述，通過在Y向增加質(zhì)量塊避開共振帶并降低后拉桿懸置橡膠剛度提高隔振量，明顯改善了車內(nèi)NVH性能，與車內(nèi)噪聲降低情況完全相符。7 結(jié)論為解決某車在2檔WOT工況下車內(nèi)噪聲振動大的問題，可以從提高橡膠懸置隔振量和錯開子系統(tǒng)間模態(tài)頻率兩方面著手。（1）隔振方面：通過降低后拉桿懸置橡膠塊剛度，提高了隔振量，滿足了隔振量大于20dB的工程要求。（2）避頻方面：通過在懸置二階模態(tài)振型大的Y向增加質(zhì)量塊，有效避開了子系統(tǒng)間共振頻率。試驗測試表明，該方案有效的解決了該車在2檔WOT工況下車內(nèi)噪聲大的問題?？紤]工程化及成本問題，選用的優(yōu)化方案較為簡單便捷，為解決實際工程問題提供了一定的思路。作者：付江華，周鵬，陳哲明，陳寶作者單位：（重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶401320）

來源：機(jī)械設(shè)計與制造