摘 要

針對(duì)某乘用車3950rpm 左右車內(nèi)存在加速轟鳴聲的問題，對(duì)車身各接附點(diǎn)進(jìn)行靈敏度測試和整車模態(tài)分析，得出引起車內(nèi)轟鳴的主要原因。再在靈敏度分析的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改技術(shù)應(yīng)用到幾何模型上，分析基于質(zhì)量、剛度和阻尼的局部修改方法，最終確定在發(fā)動(dòng)機(jī)右縱梁處增加動(dòng)態(tài)吸振器的方案最合適，駕駛員右耳聲壓級(jí)降低6dB(A)，改善轟鳴聲的同時(shí)也控制了成本。

關(guān)鍵詞:SDM 技術(shù)，模態(tài)試驗(yàn)，頻響函數(shù)，轟鳴聲

作者：夏金鳳1，2， 張軍1，2， 萬玉平1，2，許春民1，2，武建雙1，2

單位：（1.長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院，重慶，401120；2. 汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，401120）

0 引言

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改（SDM）技術(shù)[1]通過修改質(zhì)量，剛度，阻尼等物理特性改變結(jié)構(gòu)的固有屬性以降低振動(dòng)水平，避開共振頻率，提升動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于汽車，飛機(jī)，機(jī)床等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中[2]。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改可通過仿真分析和試驗(yàn)的方法進(jìn)行[3]，可將仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，通過實(shí)際測量所得數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，并將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改技術(shù)應(yīng)用到建立的數(shù)學(xué)模型中，通過仿真進(jìn)行大量的模型修改快速準(zhǔn)確的得到合適的修改方式，將這種修改應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)中，再次進(jìn)行振動(dòng)噪聲測試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證修改方式。這種方法雖然需要多次“模型修改”，但只需兩次振動(dòng)測試試驗(yàn)便能得到準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改結(jié)果，既節(jié)省費(fèi)用，又提高效率。國內(nèi)外學(xué)者采用上述基于試驗(yàn)的SDM 方法做了大量研究，如Yong-Hwa Park[4]等應(yīng)用SDM技術(shù)有效地降低了車內(nèi)振動(dòng)和噪聲；Sestieri[5]通過在發(fā)動(dòng)機(jī)體薄弱點(diǎn)上增加質(zhì)量塊減小FRF 的幅值，從而控制輻射噪聲等。

本文針對(duì)某乘用車加速過程中3950rpm左右時(shí)車內(nèi)存在轟鳴的問題，通過SDM 技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改，有效地降低了轟鳴聲。

1  SDM 技術(shù)理論

比例阻尼結(jié)構(gòu)可以看成是線性離散的N自由度模型，其彈性體結(jié)構(gòu)可用振動(dòng)微分方程的一般形式表示[6]：

式中M、K 和

分別為系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣，

分別為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度、速度和節(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)為力向量。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改需在原模型基礎(chǔ)上改變其參數(shù)矩陣的質(zhì)量、剛度和阻尼，上式方程可修改表示為：

其中△M ，△C 和△K 分別表示為參數(shù)矩陣中質(zhì)量，阻尼和剛度的修改量。使用模態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

，由于特征向量滿足正交特性：

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改可通過LMS軟件分析實(shí)現(xiàn)，通過局部增加質(zhì)量塊、彈簧阻尼系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)吸振器的方式改變其質(zhì)量、剛度和阻尼，獲得修改后的模態(tài)參數(shù)，提升了工程實(shí)際中結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改的工作效率。

2.工程應(yīng)用

2.1?

問題描述

某乘用車項(xiàng)目設(shè)計(jì)驗(yàn)證開發(fā)階段，發(fā)現(xiàn)在加速過程中， 3950rpm左右車內(nèi)存在轟鳴，圖1所示為二檔加速時(shí)駕駛員右耳處聲壓級(jí)，在3800—4200rpm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯峰值， 對(duì)應(yīng)于頻率132Hz，如圖2所示。

2.2?

原因分析

為了分析引起轟鳴的原因，對(duì)內(nèi)飾車身各接附點(diǎn)進(jìn)行靈敏度測試，在測試過程中，卸去動(dòng)力總成、進(jìn)排氣系統(tǒng)和底盤懸架系統(tǒng)等避免各部件間耦合作用對(duì)測試結(jié)果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置接附點(diǎn)、冷卻模塊左上安裝點(diǎn)和右上安裝點(diǎn)Y向聲振傳函(NTF) 和動(dòng)剛度(IPI)曲線均在132Hz左右出現(xiàn)明顯峰值，如圖3、圖4所示，對(duì)應(yīng)于車內(nèi)3950rpm高速轟鳴頻率。

圖3  右懸置接附點(diǎn)、冷卻模塊左上和右上安裝點(diǎn)Y向NTF

圖4  右懸置接附點(diǎn)、冷卻模塊左上和右上安裝點(diǎn)Y向IPI

為了檢驗(yàn)車身結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)一步地確定引起轟鳴的原因，對(duì)該車在內(nèi)飾車身狀態(tài)下進(jìn)行自由模態(tài)測試。所得頻響函數(shù)如圖5 所示。采用最小二乘復(fù)頻域方法結(jié)合穩(wěn)態(tài)圖和頻響函數(shù)提取模態(tài)參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的固有頻率和模態(tài)陣型。通過內(nèi)飾車身模態(tài)測試結(jié)果分析可知，在132Hz 存在明顯模態(tài)，其模態(tài)頻率與整車加速噪聲轟鳴頻率相近，對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型如圖6 所示，從圖中可看出主要為發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁模態(tài)，且右側(cè)變形大于左側(cè)。結(jié)合車身各接附點(diǎn)靈敏度分析和整車模態(tài)分析可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙右縱梁處結(jié)構(gòu)薄弱，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙縱梁模態(tài)，所以需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行擾動(dòng)，改變其動(dòng)態(tài)特性，減小車內(nèi)轟鳴聲。

  圖5  內(nèi)飾車身頻響函數(shù)曲線

圖6  132Hz頻率模態(tài)陣型

2.3?

靈敏度分析

由上文可知，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙縱梁模態(tài)是引起車內(nèi)轟鳴的主要原因，故需提升其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低132Hz 處發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙縱梁模態(tài)振幅，從而減小振動(dòng)能量，改善轟鳴聲，提高乘坐舒適性。本文對(duì)132Hz 頻率響應(yīng)函數(shù)幅值進(jìn)行靈敏度分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改，為制定修正方案奠定基礎(chǔ)。表1 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙右縱梁處增加質(zhì)量塊，改變剛度及增加動(dòng)態(tài)吸振器的變化參數(shù)，通過改變這些參數(shù)得到132Hz 對(duì)應(yīng)頻響函數(shù)幅值的變化率，計(jì)算公式如下：

其中H 表示原狀態(tài)下132Hz 對(duì)應(yīng)頻響函數(shù)幅值，hi表示結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改后對(duì)應(yīng)的頻響函數(shù)幅值。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙右側(cè)縱梁動(dòng)力學(xué)修改

圖7給出了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙縱梁右懸置處分別增加質(zhì)量塊，改變剛度，增加動(dòng)態(tài)吸振器后132Hz 頻率處頻響函數(shù)幅值對(duì)應(yīng)的變化率，其中，幅值變化率越大結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度越高。從圖7 可知，增加動(dòng)態(tài)吸振器后132Hz 頻率處幅值變化最敏感，且隨著吸振器質(zhì)量的增加，幅值顯著降低，但增加到1.6Kg 后變化率趨于平穩(wěn)；質(zhì)量塊次之，隨著質(zhì)量塊增大，頻響函數(shù)幅值也有所降低；但改變發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙右縱梁局部剛度對(duì)幅值變化影響很小。

圖7  不同動(dòng)力學(xué)修改下132Hz頻率處頻響函數(shù)振幅變化率

2.4?

SDM 修改方案

增加動(dòng)態(tài)吸振器和質(zhì)量塊都能調(diào)整132Hz 頻率處頻響函數(shù)幅值，下面提出三種方案對(duì)車身右側(cè)機(jī)艙縱梁進(jìn)行擾動(dòng)。由于增加質(zhì)量塊后頻響函數(shù)幅值變化率呈線性增加，考慮工程實(shí)際應(yīng)用，方案一在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙右縱梁處增加3.5Kg 的質(zhì)量塊；動(dòng)態(tài)吸振器質(zhì)量增加到一定程度后幅值變化率趨于平穩(wěn)，故方案二在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙右縱梁處增加132Hz 頻率1.5Kg 質(zhì)量的動(dòng)態(tài)吸振器；綜合質(zhì)量塊和動(dòng)態(tài)吸振器對(duì)頻響函數(shù)幅值的影響，方案三同時(shí)增加3.5Kg 質(zhì)量塊和132Hz頻率1.5Kg 質(zhì)量的動(dòng)態(tài)吸振器。

  表2 SDM 修改方案

通過LMS 軟件分別仿真分析三種方案的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改對(duì)頻響函數(shù)的影響，獲得對(duì)應(yīng)的頻響函數(shù)曲線，如圖8 所示。由圖8可知三種方案對(duì)降低頻響函數(shù)幅值都有效果，其中，增加質(zhì)量塊后132Hz 頻率附近的幅值降低35%；增加動(dòng)態(tài)吸振器對(duì)頻響函數(shù)幅值影響較大，幅值變化率最大達(dá)到86%；而同時(shí)增加質(zhì)量塊和動(dòng)態(tài)吸振器對(duì)降低頻響函數(shù)幅值有更好的效果，132Hz 頻率附近幅值降低90%。

圖8  三種方案下頻響函數(shù)對(duì)比

2.5?

試驗(yàn)驗(yàn)證

通過仿真分析可知，以上三種方案下132Hz 頻率處發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙縱梁模態(tài)振動(dòng)幅值都有所降低，但應(yīng)用到實(shí)車上仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果是否存在差異，能否降低轟鳴聲還需實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為了檢驗(yàn)SDM 仿真計(jì)算的結(jié)果可靠性，按方案三在發(fā)動(dòng)機(jī)艙右縱梁處增加動(dòng)態(tài)吸振器的同時(shí)增加3.5Kg的質(zhì)量塊進(jìn)行整車模態(tài)試驗(yàn)，獲取頻響函數(shù)曲線，再將仿真分析獲得的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9 所示，從圖中可以看出兩條曲線具有較好的一致性，說明SDM 仿真計(jì)算結(jié)果可靠性高。

圖9  試驗(yàn)與仿真頻響函數(shù)對(duì)比

下面將三種方案應(yīng)用到實(shí)車中檢驗(yàn)對(duì)加速轟鳴的改善情況，分別在整車狀態(tài)下測量二檔全油門加速過程中3950rpm 左右車內(nèi)聲壓級(jí)。圖10 所示為原狀態(tài)與增加質(zhì)量塊(3.5Kg)、增加動(dòng)態(tài)吸振器（132Hz）、同時(shí)增加質(zhì)量和動(dòng)態(tài)吸振器后二檔車內(nèi)駕駛員右耳處聲壓級(jí)曲線對(duì)比圖，從圖中可以看出，增加質(zhì)量塊后在3950rpm 左右駕駛員右耳聲壓級(jí)與原狀態(tài)相比降低3dB，增加動(dòng)態(tài)吸振器后駕駛員右耳聲壓級(jí)降低6dB，同時(shí)增加質(zhì)量塊和動(dòng)態(tài)吸振器后駕駛員右耳聲壓級(jí)降低8dB。表明增加動(dòng)態(tài)吸振器或質(zhì)量塊都能改善轟鳴聲，但增加吸振器效果比質(zhì)量塊明顯，而同時(shí)增加質(zhì)量塊和動(dòng)態(tài)吸振器效果更好，考慮到工程實(shí)際操作及成本控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)右縱梁處只增加動(dòng)態(tài)吸振器的方案不僅能較好的改善轟鳴聲，同時(shí)也控制了成本，更為合理。

圖10  三種方案下駕駛員右耳聲壓級(jí)對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)某乘用車加速過程中存在的轟鳴問題，通過車身各接附點(diǎn)進(jìn)行靈敏度測試和整車模態(tài)分析確定了引起轟鳴的原因，并通過SDM 技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改，達(dá)到減振降噪效果，得出如下結(jié)論：

⑴ 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙右縱梁處結(jié)構(gòu)薄弱，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙縱梁模態(tài)，振動(dòng)能量通過該模態(tài)傳遞到聲腔，強(qiáng)迫聲腔振動(dòng)而導(dǎo)致車內(nèi)轟鳴問題。

⑵ 基于試驗(yàn)的SDM 技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改獲得的頻響函數(shù)與相同狀態(tài)下試驗(yàn)測試獲得的結(jié)果具有較好的一致性，SDM技術(shù)修正結(jié)果可靠性高。

⑶ 考慮工程實(shí)際操作及成本控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)右縱梁處增加動(dòng)態(tài)吸振器的方案不僅能較好的改善轟鳴聲，同時(shí)也控制了成本，最為合理。

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作者簡介

張軍

博士，正高級(jí)工程師

吉利汽車研究院

上海交通大學(xué)博士，正高級(jí)工程師，現(xiàn)任吉利汽車研究院NVH技術(shù)專家，專注于振動(dòng)噪聲領(lǐng)域研究與工程實(shí)踐20多年。

E-mail：zj_zmkm@126.com