【摘要】提出一種研發(fā)初期中頻室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲設(shè)計(jì)方法，根據(jù)數(shù)字“騾子樣車”和參考樣車模型有限元仿真結(jié)果，確定主要傳遞路徑的結(jié)構(gòu)噪聲根源并設(shè)置相應(yīng)子系統(tǒng)NVH性能目標(biāo)，通過(guò)子系統(tǒng)性能的提高實(shí)現(xiàn)整車目標(biāo)。最后通過(guò)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)噪聲設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有效性。

 【關(guān)鍵詞】聲學(xué)；NVH；結(jié)構(gòu)噪聲；

有限元仿真隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，提高產(chǎn)品開發(fā)品質(zhì)縮短開發(fā)周期成為汽車研發(fā)的必然趨勢(shì)。現(xiàn)代整車研發(fā)周期不斷縮短，傳統(tǒng)的樣車試驗(yàn)和設(shè)計(jì)循環(huán)研發(fā)模式已被淘汰，前沿的CAE技術(shù)使數(shù)字樣機(jī)仿真完全代表樣車試驗(yàn)并在樣車試制前對(duì)各種性能進(jìn)行改進(jìn)。與實(shí)車測(cè)試相比CAE仿真成本較低且對(duì)顧客需求、設(shè)計(jì)要求和各類約束反應(yīng)迅速，能夠平衡考慮汽車各種性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。 NVH仿真分析需要詳細(xì)的整車有限元模型包括懸架、動(dòng)力總成、車身等系統(tǒng)以描述各個(gè)系統(tǒng)間的相互作用，預(yù)測(cè)感興趣頻域內(nèi)的響應(yīng)。汽車結(jié)構(gòu)噪 聲NVH性能分析包括50 Hz以內(nèi)的低頻振動(dòng)，30～100 Hz頻域內(nèi)的低頻噪聲和500 Hz內(nèi)的中高頻噪聲。50 Hz內(nèi)的低頻NVH性能只包含一些基本的整車模態(tài)參數(shù)、白車身剛度等性能指標(biāo)，因此求解效率較高，而對(duì)于50 Hz以上的中高頻域，由于模態(tài)密集，噪聲傳遞路徑眾多，成為NVH目標(biāo)制定與分析最困難領(lǐng)域。本文闡述了新產(chǎn)品開發(fā)階段使用有限元仿真進(jìn)行整車NVH結(jié)構(gòu)噪聲控制的基本過(guò)程，重點(diǎn)敘述50～180 Hz頻域內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑分析時(shí)子系統(tǒng)目標(biāo)的制定與實(shí)現(xiàn)方法并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例證明了結(jié)構(gòu)噪聲子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有效性。 

1 整車NVH改進(jìn)目標(biāo)設(shè)定

 1．1 總體NVH目標(biāo)制定 NVH目標(biāo)制定同新車型的市場(chǎng)定位密切相關(guān)，典型的目標(biāo)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)包括設(shè)計(jì)師、NVH專家和職業(yè)駕駛員嘲，設(shè)計(jì)目標(biāo)是確定出使新車型在市場(chǎng)同類 產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出的NVH特性，這主要通過(guò)對(duì)市場(chǎng)中有競(jìng)爭(zhēng)力的車型進(jìn)行NVH品質(zhì)對(duì)標(biāo)實(shí)現(xiàn)。同SAE主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)類似，NVH目標(biāo)制定過(guò)程中也通常采用十分制對(duì)NVH性能分級(jí)，而樣車和設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行評(píng)價(jià)和量化?；谌梭w對(duì)振動(dòng)噪聲水平的反應(yīng)，主觀等級(jí)轉(zhuǎn)化為客觀測(cè)量值的方法參見(jiàn)表1。表中公式體現(xiàn)了主觀等級(jí)與振動(dòng)速度和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的關(guān)系。

1．2 樣車模型建立及仿真 

在現(xiàn)有的NVH仿真技術(shù)水平下，模擬分析的最大用途是趨勢(shì)預(yù)測(cè)而并非具體數(shù)值的獲取。根據(jù) KomDella和Bemhard對(duì)99輛某款suv的試驗(yàn)研究，室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的試驗(yàn)誤差在40～150 Hz內(nèi)為10 dB，150～500 Hz內(nèi)則高達(dá)20 dB。有限元模型同實(shí)際樣車相比，不存在制造和裝配誤差，只是網(wǎng)格劃 分和模擬方法存在差異，仿真精度可通過(guò)制定仿真標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制。仿真模型的置信度可由仿真結(jié)果是否在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)確定。設(shè)計(jì)初期新車NVH能分級(jí)和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度的判定是基于仿真分析，因此需要詳細(xì)的參考樣車有限元模型并要求其能正確預(yù)測(cè)NVH特性趨勢(shì)。NVH仿真目標(biāo)設(shè)定的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)開始階段沒(méi)有足夠CAD數(shù)據(jù)建立準(zhǔn)確的有限元模型，而目標(biāo)設(shè)定模型必須與參考樣車模型同樣精確，因此騾子樣車模型通常采用已有有限元模型拼湊而成。數(shù)字騾車中的部件不管其來(lái)源如何都必須能夠模擬實(shí)際部件，且為提取有效目標(biāo)值，數(shù)字騾車應(yīng)當(dāng)包含初始設(shè)計(jì)意圖。研發(fā)初始階段，設(shè)計(jì)方案只包含一些整車配置基本信息如前后懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置、動(dòng)力總成配置等。通常動(dòng)力傳動(dòng)／懸架系統(tǒng)是根據(jù)布置形式和整車操縱特性固定于車身，其連接點(diǎn)決定了噪聲傳遞路徑，根據(jù)這些數(shù)據(jù)便可進(jìn)行騾車合成。通過(guò)仿真進(jìn)行NVH性能評(píng)估和目標(biāo)設(shè)定是數(shù)字“騾子樣車”合成的主要目的。由于開發(fā)流程的時(shí)間限制，僅能進(jìn)行一輪的數(shù)字騾車合成來(lái)設(shè)定NVH目標(biāo)，因此數(shù)字騾車模型應(yīng)確保子系統(tǒng)噪聲傳遞路徑有好的NVH特性。通過(guò)帶有內(nèi)飾的車身模型分析，確保車身子系統(tǒng)一些關(guān)鍵傳遞路徑滿足最低性能指標(biāo)。最后進(jìn)行底盤和動(dòng)力總成組建，裝配完成后的騾車模型應(yīng)當(dāng)與參考樣車模型同樣詳細(xì)。利用建立的騾子樣車在各種NVH載荷工況下 進(jìn)行室內(nèi)噪聲仿真并將分析結(jié)果與設(shè)定目標(biāo)比較，便可確定每個(gè)工況下需要的總體NVH性能改進(jìn)目標(biāo)。

2 子系統(tǒng)NVH目標(biāo)設(shè)定與改進(jìn)

2．1子系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定 

"騾子樣車"的總體NVH性能水平確定后，下一步是確定子系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)。與整車模型相比，采用子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以確保找到噪聲根源，通過(guò)設(shè)定子系統(tǒng)目標(biāo)能夠更迅速有效的控制結(jié)構(gòu)噪聲。設(shè)計(jì)過(guò)程中由于多種性能約束條件制約，某一子系統(tǒng)目標(biāo)有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)，這可通過(guò)適當(dāng)提高另一個(gè)子系統(tǒng)目 標(biāo)的方法加以補(bǔ)償。對(duì)車身子系統(tǒng)，目標(biāo)設(shè)定主要是控制局部載荷作用下的聲靈敏度，動(dòng)力總成、懸架等子系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定主要是限制其在連接點(diǎn)的位移。子系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定過(guò)程如圖1，首先在每個(gè)工況下將騾車仿真室內(nèi)噪聲結(jié)果與整車NVH目標(biāo)比較，確定需要改進(jìn)的頻域。第二步是進(jìn)行噪聲傳遞路徑分 析并對(duì)各條路徑貢獻(xiàn)排序確定最主要的傳遞路徑，明確每條路徑的噪聲根源。第三步是設(shè)定子系統(tǒng)目標(biāo)以減少主要路徑的貢獻(xiàn)，并盡量使每條路徑的貢獻(xiàn)平均分布。最后通過(guò)各了系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)達(dá)到總體性能目標(biāo)。

2．2 噪聲傳遞路徑分析 噪聲傳遞路徑的基本概念是駕駛員或乘客耳邊的總聲壓等于每條傳遞路徑引起的聲壓之和：

其中P，等于來(lái)自懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)或排氣系統(tǒng)的載荷經(jīng)過(guò)彈性元件衰減后傳至車身的作用力F，與車內(nèi) 一點(diǎn)聲壓頻響函數(shù)

的乘積。雖然每條路徑產(chǎn)生的噪聲相位不同有可能使部分噪聲相互抵消， 但式(1)中并沒(méi)有考慮相位影響，因?yàn)槔每赡艿南辔坏窒岣咦詈螽a(chǎn)品性能在設(shè)計(jì)階段難以保證，此處保守的考慮了最差的情況以改進(jìn)每條結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑性能。 路徑排序完成后必須確定主要路徑噪聲傳播的根本原因以有效減小相應(yīng)路徑的貢獻(xiàn)。聲壓頻晌函 數(shù)P／F與車身連接點(diǎn)處的導(dǎo)納V／F緊密相關(guān)，雖然車室內(nèi)飾和室內(nèi)空腔也影響P／F，但研究表明，連接點(diǎn)導(dǎo)納對(duì)聲壓響應(yīng)起主導(dǎo)作用，差的導(dǎo)納特性很難通過(guò)P／F彌補(bǔ)，本文主要關(guān)注V／F以減少結(jié)構(gòu)傳播噪聲。動(dòng)態(tài)剛度比定義為車身連接點(diǎn)剛度與彈性元件剛度的比值

，這是影響彈性元件隔振性能與車身輸入力水平的重要因子。輸入位移的減少同樣可有效降低輸入力

，位移輸入是否為噪聲根源可通過(guò)靈敏度分析確定。為獲得良好的路徑傳遞特性，影響結(jié)構(gòu)噪聲的主要參數(shù)應(yīng)控制在以下范圍：

子系統(tǒng)固有模態(tài)分析是傳遞路徑噪聲根源分析的基礎(chǔ)，根據(jù)分析結(jié)果可對(duì)各子系統(tǒng)問(wèn)耦合的固有頻率解耦或使共振頻率避開激勵(lì)頻率，從而降低輸入點(diǎn)位移。而受迫響應(yīng)模態(tài)振型分析同樣是振動(dòng)噪聲根源分析的有力工具，在關(guān)注頻率下對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行受迫響應(yīng)分析，觀察該頻率下的結(jié)構(gòu)變形確定連接點(diǎn)的位移大小，從而判定輸入力是否是傳遞路徑的主要貢獻(xiàn)源。明確了主要傳遞路徑中的噪聲根源后便可根據(jù)整車性能目標(biāo)設(shè)定相應(yīng)的子系統(tǒng)目標(biāo)，通過(guò)仿真分析進(jìn)行性能改進(jìn)直至實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)。數(shù)字騾車經(jīng)過(guò)性能改進(jìn)達(dá)到目標(biāo)后便可在各類工況下對(duì)第一輪設(shè)計(jì)樣車進(jìn)行NVH性能評(píng)估，如果在某些工況下不能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，則按照同樣方法進(jìn)行傳遞路徑分析，設(shè)定子系統(tǒng)目標(biāo)，提出可行性改進(jìn)方案并最終確定出綜合考慮各類性能的最優(yōu)方案。新車設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)字騾車具有參考作用，可為新車子系統(tǒng)性能的改進(jìn)提供方向。3 應(yīng)用實(shí)例 某汽車集團(tuán)一款自主研發(fā)商用車進(jìn)行結(jié)構(gòu)噪聲設(shè)計(jì)，騾車仿真分析表明發(fā)動(dòng)機(jī)4200 r/min時(shí)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)噪聲比目標(biāo)值上限高2 dB，因此設(shè)定該工況下的目標(biāo)是在騾車基礎(chǔ)上獲得2 dB的噪聲衰減。動(dòng)力總成引起的駕駛員耳邊聲壓 P 等于備條傳遞路徑引起的噪聲之和

，目標(biāo)聲壓可表示為：

是為實(shí)現(xiàn)2 dBA的噪聲衰減而對(duì)每條路徑設(shè)定的子系統(tǒng)目標(biāo)。進(jìn)行噪聲傳遞路徑分析，根據(jù)每條路徑聲壓頻響函數(shù)

和振動(dòng)加速度確定路 徑貢獻(xiàn)排序見(jiàn)表2。

對(duì)表中貢獻(xiàn)最大的傳遞路徑進(jìn)行噪聲根源分析，利用丹麥B&K設(shè)備進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，懸置發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)力錘敲擊力作為輸入，同時(shí)對(duì)懸置車身側(cè)連接點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)剛度試驗(yàn)，結(jié)果表明P／F、V／F、

三項(xiàng)因子都在合理范圍內(nèi)，對(duì)動(dòng)力總成予系統(tǒng)在關(guān)注頻率140 Hz下進(jìn)行受迫模態(tài)振型分析，結(jié)果顯示動(dòng)力總成變形中變速箱懸置點(diǎn)位移占主導(dǎo)地位，從而引起該懸置對(duì)車身較大的輸入力。對(duì)第二條傳遞路徑進(jìn)行分析，結(jié)果表明輸入力和動(dòng)態(tài)剛度比都在合理范圍，而與車身相連的發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)懸置支架變形較大，因此需要控制該處結(jié)構(gòu)導(dǎo)納。設(shè)置子系統(tǒng)目標(biāo)為變速器懸置點(diǎn)位移減少20％，左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置點(diǎn)導(dǎo)納降低1.0 dB L，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后騾車在該工況下基本實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)。隨后對(duì)第一輪設(shè)計(jì)樣車進(jìn)行仿真，動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)噪聲在4200 r/min時(shí)仍超出目標(biāo)2 dB，與改進(jìn)后的騾車性能比較如圖2：

動(dòng)力總成受迫振型分析表明140 Hz處變速器懸置點(diǎn)具有較大的位移，這可通過(guò)兩種有效的設(shè)計(jì)方案解決：添加動(dòng)力減振器或彎曲支架。對(duì)變速器懸置與車身連接點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)納分析,結(jié)果顯示136 Hz處出現(xiàn)峰值，這與動(dòng)力總成4200r/min處的噪聲峰值密切相關(guān)。在136 Hz處進(jìn)行車身受迫模態(tài)振型分析,發(fā)現(xiàn)支撐變速器懸置的橫梁是主要的變形部件，說(shuō)明橫梁剛度不足是該頻率下導(dǎo)納特性差的主要原因。第一輪設(shè)計(jì)樣車在該點(diǎn)＼導(dǎo)納曲線與騾車比較如圖3。通過(guò)加強(qiáng)懸置橫梁與車身連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和改進(jìn)截面形狀提高橫梁動(dòng)剛度，使導(dǎo)納曲線中136 Hz處的峰值大大降低如圖4，最終實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ) 本文提出了整車開發(fā)過(guò)程中用有限元仿真進(jìn)行室內(nèi)中頻結(jié)構(gòu)噪聲設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)方法，給出了總體 NVH目標(biāo)主觀等級(jí)與客觀測(cè)量值的轉(zhuǎn)化公式，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)初期合成的數(shù)字“騾子樣車”和參考樣車有限元模型進(jìn)行仿真，在室內(nèi)噪聲不能滿足設(shè)定目標(biāo)的工況下對(duì)噪聲傳遞路徑進(jìn)行貢獻(xiàn)排序，利用子系統(tǒng)分析確定主要路徑的結(jié)構(gòu)噪聲根源并設(shè)置相應(yīng)子系統(tǒng)NVH性能改進(jìn)目標(biāo)，通過(guò)對(duì)子系統(tǒng)的改進(jìn)最終實(shí)現(xiàn)整車目標(biāo)。文中通過(guò)某車研發(fā)過(guò)程中動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)例驗(yàn)證了本文結(jié)構(gòu)噪聲子系統(tǒng)傳遞路徑分析方法的有效性，可為新車NVH研發(fā)提供參考。作者：張守元1,張義民2作者單位： 1. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司 研究院， 南京 210028；2. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽(yáng) 110004來(lái)源：運(yùn)載工具振動(dòng)與噪聲