摘 要：對某MPV樣車（多功能乘用車）進(jìn)行整車NVH測試，結(jié)果表明怠速工況下空調(diào)開啟時(shí)的車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動不滿足設(shè)計(jì)要求。通過傳遞路徑分析方法進(jìn)行試驗(yàn)排查，發(fā)現(xiàn)該工況下，車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）在發(fā)動機(jī)第4階頻率處振動異常是問題的主要原因。經(jīng)過進(jìn)一步驗(yàn)證，確定需對樣車前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。接下來通過有限元分析方法對前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，并在樣車上進(jìn)行優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)優(yōu)化方案可行，車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動得到有效控制。

關(guān)鍵詞：振動與波；結(jié)構(gòu)噪聲；傳遞函數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；方向盤；前圍板近些年來，隨著消費(fèi)者對乘坐舒適性要求的提高以及各國對環(huán)境噪聲污染的重視，汽車的振動噪聲問題在汽車工業(yè)中變得越來越重要。車輛 NVH（噪聲、振動、舒適性）性能已逐漸成為影響汽車品牌的重要因素之一，國內(nèi)外已有較多的工程師和學(xué)者致力于改善車輛NVH性能。例如，已有較多專著從車輛設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及材料等方面進(jìn)行NVH分析 [1–3]；T. Bein 等意識到解決車身輕量化帶來的車輛振動、噪聲加劇的問題 [4]；S. J. Elliott等進(jìn)行了車內(nèi)噪聲主動控制的研究 [5]；較多學(xué)者通過仿真或試驗(yàn)的方法進(jìn)行乘用車振動噪聲的研究 [6–13]。方向盤與駕駛員直接接觸，振動過大易引起駕駛員疲勞不適，過大的車內(nèi)噪聲無疑也會降低乘客的乘坐舒適性。因此在樣車NVH評估過程中，這方面的測試是必不可少的，也存在較多這方面的工程案例 [14–20]。其中，基于傳遞路徑分析方法來確定車內(nèi)噪聲源（或振源）已成為各大汽車廠家和汽車研發(fā)中心的一個(gè)重要研究方向。此方法通過分析子結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，描述系統(tǒng)頻域的振動噪聲特性，把試驗(yàn)和仿真有效結(jié)合到一起，為汽車噪聲預(yù)測、振動噪聲快速診斷等工作提供了一種快捷、有效的工具 [21]。文中主要介紹針對某款MPV樣車方向盤振動超標(biāo)和車內(nèi)前排噪聲過大問題，采用傳遞路徑分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進(jìn)行排查治理的過程及最終取得的治理效果。

1 問題描述在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期中，振動、噪聲問題往往暴露得非常晚。這類問題大多歸因于設(shè)計(jì)階段目標(biāo)設(shè)定不明確、實(shí)際問題考慮得不全面等。此類問題的解決也較為棘手，并伴有計(jì)劃外的時(shí)間消耗和費(fèi)用支出。對于整車的NVH測試，有一系列的測試內(nèi)容需要進(jìn)行，由于本文重點(diǎn)在于解決由前圍板處引起的振動噪聲問題，因此只進(jìn)行車內(nèi)噪聲和方向盤振動測試的相關(guān)說明。1.1 測試傳感器布置及測試要求文中涉及的測試對象是一款樣車，為 OTS（OffTool Sample）樣件，行駛里程為2 000 km。測試場所為整車半消聲室。由于車內(nèi)聲場的聲壓級大小與測試位置密切相關(guān)，因此常選擇駕駛員和乘客耳旁位置作為測點(diǎn)，且駕駛員座位處為必選測點(diǎn)。車內(nèi)噪聲測試位置如圖1、圖2所示 [22]。

圖 1 中，傳聲器的垂直方向位于（無人）座椅的表面與靠背表面的交線向上0.70±0.05 m處；水平方向一般位于座椅的對稱面上（見測點(diǎn)A），但在駕駛員座位，則位于對稱面向右0.20±0.02 m處（見測點(diǎn)B）。據(jù)此，實(shí)際測點(diǎn)布置如圖2所示，前排為駕駛員右耳處，中排為左側(cè)乘客右耳處，后排為中間位置。另外，傳聲器安裝時(shí)應(yīng)保證：距離車廂壁或座椅墊的距離大于0.15 m；最大靈敏度的方向指向行駛方向（文中為水平向前）；隔離汽車振動的影響。方向盤振動測試傳感器為三軸向振動加速度計(jì)，布置于方向盤外緣十二點(diǎn)位置，如圖3所示。

測試時(shí)對車輛要求：被測車輛所有開口（車窗、天窗等）為關(guān)閉狀態(tài)；車內(nèi)輔助裝置除測試需求外不得工作；座椅應(yīng)位于水平和垂直方向可調(diào)量的中間位置，靠背應(yīng)處于垂直位置，頭枕應(yīng)處于可調(diào)量的中間位置。如果研究通風(fēng)系統(tǒng)或任意輔助裝置的噪聲對總噪聲的影響，則必須在輔助裝置工作時(shí)重復(fù)測試噪聲。測試時(shí)對儀器要求：振動加速度計(jì)應(yīng)在校準(zhǔn)有效期內(nèi)；傳聲器在測試前后均應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；力錘選用尼龍錘頭；設(shè)定合理的采樣頻率與分析帶寬，以保證分析頻帶內(nèi)有足夠的譜線數(shù)。1.2 測試結(jié)果測試結(jié)果如表1、圖4和圖5所示。

由測試結(jié)果可知，空調(diào)開啟后車內(nèi)噪聲、方向盤振動均有明顯上升，均超過目標(biāo)值。2 原因分析2.1 頻譜分析對測試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析是較常用的激勵(lì)源分析方法。通過頻譜圖可以清晰地看出振動能量的集中頻帶，從而便于尋找激勵(lì)源。圖6－圖9為對應(yīng)測點(diǎn)的頻譜圖。

由結(jié)果可以看出，一方面空調(diào)開啟后，方向盤振動級和車內(nèi)噪聲聲壓級均明顯增強(qiáng)，并顯著超過目標(biāo)值；另一方面，由于空調(diào)開啟導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，噪聲和振動頻譜中前四個(gè)共振峰均有一定的右移。其中方向盤振動級超過目標(biāo)值主要體現(xiàn)在 56Hz附近x方向振動由不足0.01 g上升至0.05 g；駕駛員右耳處噪聲超標(biāo)體現(xiàn)在 56 Hz 譜線處，其上升至43 dB(A)。2.2 傳遞路徑分析方向盤的振動激勵(lì)源主要來自路面和發(fā)動機(jī)；車內(nèi)噪聲則包含發(fā)動機(jī)噪聲、路面噪聲、氣動噪聲、剎車噪聲和其他零部件噪聲等。由于測試工況為怠速、空調(diào)開啟狀態(tài)，而且峰值頻率56 Hz恰好對應(yīng)發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的 4 階頻率，因而初步分析此振動噪聲超標(biāo)問題由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4階頻率激起。NVH工程問題的解決常從激勵(lì)源、傳遞路徑以及響應(yīng)點(diǎn)三方面來進(jìn)行。對于傳遞路徑分析，應(yīng)確定是較大作用力引起響應(yīng)加大還是較小作用力引起結(jié)構(gòu)共振。所以，這就需要將激勵(lì)源由原有的某種固定工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)閽哳l工況（例如發(fā)動機(jī)加速工況），或者在輸入端人工施加寬頻激勵(lì)（激振器）或脈沖激勵(lì)（力錘）。作為激勵(lì)源的發(fā)動機(jī)并沒有引起其他位置的振動異常。如圖10所示，座椅導(dǎo)軌處振動在空調(diào)開啟前后并無較大變化，且 0.01 g 以下的振動量級滿足GB13441.1-2007（該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0.315 m/s2以下為感覺不到不舒適區(qū)域）。因此將重點(diǎn)放在傳遞路徑優(yōu)化上。又由于車內(nèi)噪聲與方向盤振動異常為同一頻率，且都與空調(diào)開啟相關(guān)，因此對前圍板進(jìn)行進(jìn)一步分析。

為分析前圍板安裝工況下的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，同時(shí)考慮到樣車內(nèi)的操作空間限制，進(jìn)行如下測試：（1）怠速、空調(diào)開啟狀態(tài)下，進(jìn)行車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）振動測試，如圖11、圖12所示；（2）進(jìn)行前圍板（膨脹閥安裝位置）至駕駛員右耳 的 NTF（Noise transfer function）測 試 ，如圖 13所示；(3) 進(jìn)行前圍板（膨脹閥安裝位置）原點(diǎn)導(dǎo)納測試，如圖14所示。

由圖12結(jié)果可知，怠速、空調(diào)開啟狀態(tài)，車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）在 56 Hz 處振動最大，振動幅值為0.02 g；由圖13、圖14所示傳遞函數(shù)測試結(jié)果可知，樣車前圍板在 56 Hz 附近存在局部模態(tài) ，且車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）對車內(nèi)駕駛員右耳位置的NTF值較高。改善車內(nèi)噪聲可以采用安裝吸聲材料的方式，但考慮到裝飾效果和安裝空間，一般只能在一定頻段內(nèi)產(chǎn)生較小的效果。因此大部分情況下還是通過改善振動噪聲的傳遞路徑來達(dá)到車內(nèi)減振降噪的目的。對于本例中由發(fā)動機(jī)引起的結(jié)構(gòu)振動、噪聲問題，可選用如下方法：(1) 改善發(fā)動機(jī)隔振性能；(2) 增大前圍板局部共振處阻尼；(3) 改進(jìn)結(jié)構(gòu)，避開共振頻率。這里選擇對前圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，避開局部共振。3 前圍板局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化3.1 仿真優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題是指在滿足給定的幾何約束、材料約束和狀態(tài)約束（或響應(yīng)約束）的所有可能結(jié)構(gòu)中，尋求使得給定目標(biāo)最優(yōu)的設(shè)計(jì) [23]。優(yōu)化問題分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化三類。文中試圖通過結(jié)構(gòu)形狀或尺寸調(diào)整來對前圍板振動的特征頻率進(jìn)行優(yōu)化，使其避免共振并降低響應(yīng)水平。由結(jié)構(gòu)動態(tài)修改的靈敏度分析理論可知 [24]，與質(zhì)量和阻尼參數(shù)相比，剛度變化更容易影響低頻段的模態(tài)頻率和振型。同時(shí)由于實(shí)車零部件結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型，前圍板局部起筋或厚度調(diào)整成為改善模態(tài)頻率的主要方法。采用Hypermesh軟件對前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。首先計(jì)算原始狀態(tài)下的結(jié)構(gòu) 1 階整體模態(tài)，見圖15，1階模態(tài)頻率為54.5 Hz。優(yōu)化方向是通過加強(qiáng) HAVC 安裝點(diǎn)的剛度來提高前圍板 1 階模態(tài)頻率，從而避開怠速工況下的共振頻率（但應(yīng)注意避開發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)工作轉(zhuǎn)速區(qū)間頻率）。

優(yōu)化過程如下：(1) 在 HVAC 本體的安裝點(diǎn)起加強(qiáng)筋，無明顯變化；(2) 將HVAC安裝支架厚度全部提升到3.0 mm，1階模態(tài)頻率提升到58.3 Hz；(3) 在方案(2)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)安裝點(diǎn)，1 階模態(tài)頻率提升到59.5 Hz；(4) 在方案(3)基礎(chǔ)上，在前圍板和中通道之間加一個(gè)加強(qiáng)板，1階模態(tài)頻率提升到63.2 Hz；(5) 在方案(4)基礎(chǔ)上，微調(diào)兩處支架結(jié)構(gòu)，加寬三處支架尺寸，并將支架厚度均減至2 mm，如圖17所示。

最終采用方案(5)，將仿真 1 階模態(tài)頻率由 54.5Hz提高至62.2 Hz（>60 Hz），能夠避開怠速、空調(diào)開啟工況下發(fā)動機(jī)的4階激勵(lì)頻率(56 Hz)。3.2 優(yōu)化方案實(shí)車驗(yàn)證根據(jù)仿真方案，制作了一套用HVAC安裝支架加強(qiáng)后的手工樣件，將該手工樣件安裝到樣車前圍板上，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，見如圖18。

圖19為改進(jìn)前后膨脹閥處原點(diǎn)導(dǎo)納傳遞函數(shù)對比，可見用HVAC安裝支架加強(qiáng)后，前圍板局部模態(tài)頻率由原來的 56.0 Hz 升高至 60.3 Hz，理論上可以避開怠速、空調(diào)開啟工況下發(fā)動機(jī)的 4 階激勵(lì)頻率(56 Hz)。

圖 20－圖 23 為方向盤振動和駕駛員右耳噪聲的時(shí)域、頻域測試結(jié)果。

由圖 20、圖 21 可知，前圍板改進(jìn)后方向盤在三個(gè)方向的振動值均小于目標(biāo)值0.04 g，其中振動最大的 X 方向改進(jìn)后在 56 Hz 處振動幅值下降至約0.02 g。由圖 22、圖 23 可知，前圍板改進(jìn)后駕駛員右耳處噪聲在貢獻(xiàn)量最顯著的 56 Hz 譜線處由 43.0 dB(A)下降至 38.7 dB(A)；總聲壓級由 48.7 dB(A)降至46.9 dB(A)。雖然改進(jìn)后仍未滿足 46 dB(A)的目標(biāo)值，但車內(nèi)該位置主觀感覺壓耳聲有明顯改善。另外，由于本試驗(yàn)僅驗(yàn)證了HVAC安裝支架的加強(qiáng)方案，后續(xù)還需進(jìn)行HVAC本體安裝點(diǎn)的加強(qiáng)處理，因此，預(yù)計(jì)進(jìn)行HVAC本體安裝點(diǎn)加強(qiáng)后，噪聲結(jié)果會滿足目標(biāo)值。

4 結(jié) 語針對某樣車在怠速工況下、空調(diào)開啟時(shí)的車內(nèi)前排噪聲和方向盤振動高于目標(biāo)值的問題，通過試驗(yàn)方法，確定其與車輛前圍板（膨脹閥安裝位置）振動異常有關(guān)。在進(jìn)一步確定樣車前圍板處易由發(fā)動機(jī)怠速4階頻率引起共振后，通過Hypermesh軟件對前圍板進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，并在樣車上進(jìn)行了優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明通過對前圍板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，方向盤振動達(dá)到設(shè)計(jì)要求值，車內(nèi)前排噪聲也有將近2 dB下降，降至46.9 dB(A)，可結(jié)合其他方法進(jìn)一步使其滿足目標(biāo)值46 dB(A)。作者：楊家友1，張 攀2作者單位：（ 1. 中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072 ）來源：噪聲與振動控制 2017（4)