[摘要] 某SUV車型在加速過(guò)程中存在2600r/min  2階加速轟鳴聲，嚴(yán)重影響主觀體驗(yàn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)手段確定該轟鳴聲與右懸置Y向振動(dòng)強(qiáng)相關(guān)，利用模態(tài)CAE分析和模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，查找出右縱梁Y向擺動(dòng)模態(tài)87Hz對(duì)應(yīng)問(wèn)題轉(zhuǎn)速2階頻率，在仿真模型中快速制定4種方案并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示方案4（右縱梁安裝動(dòng)力吸振器）效果最佳，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，車內(nèi)2600r/min轟鳴聲消失，右懸置被動(dòng)側(cè)Y向振動(dòng)明顯降低，有效解決此系列車型加速轟鳴聲問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：加速轟鳴聲；車身結(jié)構(gòu)模態(tài)；動(dòng)力吸振器

隨著汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車的NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能已成為汽車品質(zhì)評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，更代表著汽車的品牌或品味的內(nèi)涵元素。振動(dòng)與噪聲不僅影響汽車的乘坐舒適性，甚至?xí)绊懙狡嚨氖褂脡勖虼耍嵘嚨脑肼暸c振動(dòng)成為了各大汽車廠商競(jìng)爭(zhēng)的專項(xiàng)，汽車NVH的性能研究對(duì)于新車型的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有車型的改善非常重要，NVH研究的主要內(nèi)容包括汽車整車和零部件噪聲振動(dòng)目標(biāo)設(shè)定、NVH  CAE仿真分析、車輛噪聲振動(dòng)源識(shí)別、車輛噪聲振動(dòng)傳遞路徑貢獻(xiàn)分析、模態(tài)實(shí)驗(yàn)和聲品質(zhì)評(píng)價(jià)等[1-3]。早期在路面行駛的汽車，大部分情況下動(dòng)力總成噪聲都是整車NVH中主要貢獻(xiàn)，是NVH的主要控制對(duì)象，近些年來(lái)，隨著動(dòng)力總成技術(shù)的突發(fā)猛進(jìn)，很大幅度的提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲振動(dòng)控制水平，使得除發(fā)動(dòng)機(jī)以外的結(jié)構(gòu)噪聲與振動(dòng)明顯增大，由于車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)而引起的噪聲輻射頻率主要集中在0-200Hz低頻段，給人主觀感覺(jué)體現(xiàn)為“轟鳴聲”，也就是常說(shuō)的“Booming”，會(huì)使得司機(jī)和乘客人員感覺(jué)到強(qiáng)烈的不適[4]?，F(xiàn)有某SUV車型開(kāi)發(fā)，該車在3檔全油門(mén)（WOT）加速工況時(shí)，在2600rpm時(shí)出現(xiàn)明顯的轟鳴聲，嚴(yán)重影響主觀體驗(yàn)，該車型如果此問(wèn)題沒(méi)有得到解決便投入市場(chǎng)，必然會(huì)引起顧客的抱怨，影響品牌形象和終端銷售，本文以該車型為例，針對(duì)此加速轟鳴問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，并最終消除該轟鳴聲。

1.問(wèn)題描述

1.1實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備：LMS的32通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCMD5用來(lái)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；LMS Test.Lab的Signature Testing-Advanced用于在線采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；小野onosokki 傳感器IP-296用于采集實(shí)車測(cè)試中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)；PCB三向振動(dòng)傳感器輸出振動(dòng)、GRAS麥克風(fēng)輸出噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)。

傳感器布置位置：駕駛員右耳、后排中間處分別布置聲學(xué)麥克風(fēng)；駕駛員座椅導(dǎo)軌、方向盤(pán)、換檔桿、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主被動(dòng)側(cè)、排氣吊鉤主被動(dòng)側(cè)、前后懸架主被動(dòng)側(cè)等位置分別布置三向加速度傳感器；

采樣頻率：振動(dòng)信號(hào)采樣頻率為5120Hz，頻率分辨率為1Hz，譜線數(shù)為5120Hz；聲壓信號(hào)采樣頻率為10240Hz，頻率分辨率為1Hz，譜線數(shù)為10240Hz。

測(cè)試工況和實(shí)驗(yàn)條件：在道路實(shí)驗(yàn)中，采用3檔全油門(mén)工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速追蹤范圍為1000r/min至5000r/min。測(cè)試地點(diǎn)選擇在路面空曠平坦瀝青道路上，環(huán)境噪聲低于被測(cè)噪聲10dB以上，試驗(yàn)載荷為半載狀態(tài)，即車身自重、采集數(shù)據(jù)工程師1名、駕駛員1名。試驗(yàn)時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，需進(jìn)行3次以上同工況采集，保證數(shù)據(jù)的一致性。

1.2車內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

駕駛員右耳聲壓級(jí)在車輛3G WOT(3檔全油門(mén))加速工況中，噪聲聲壓級(jí)曲線在2600r/min附近出現(xiàn)峰值，與主觀評(píng)價(jià)轟鳴聲轉(zhuǎn)速范圍相接近，對(duì)駕駛員右耳Overall（總聲壓級(jí)）進(jìn)行階次分析，獲取2、4、6階次噪聲曲線，發(fā)現(xiàn)2600r/min附近2階曲線與總聲壓級(jí)曲線十分接近，說(shuō)明在該轉(zhuǎn)速段2階噪聲占據(jù)主要貢獻(xiàn)。如圖1所示。

2.問(wèn)題查找與措施

2.1 噪聲源辨識(shí)

由圖1可看出，該車在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速2600rpm2階峰值明顯，經(jīng)過(guò)噪聲階次分析、振動(dòng)與噪聲相干性分析、路徑傳遞分析逐步排查發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等各子系統(tǒng)對(duì)車身傳遞影響，其中在監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)與車身連接懸置點(diǎn)主被動(dòng)側(cè)振動(dòng)時(shí)（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)右懸置被動(dòng)側(cè)Y向振動(dòng)2600rpm2階振動(dòng)峰值明顯(如圖3所示)，并且與車內(nèi)駕駛員右耳噪聲峰值有很強(qiáng)相關(guān)性，而右懸置主動(dòng)側(cè)Y向并無(wú)此二階峰值（如圖4所示），排除發(fā)動(dòng)機(jī)本身階次峰值直接傳遞影響，而很可能為車身本身結(jié)構(gòu)特性，故下一步排查從車身結(jié)構(gòu)特性入手。根據(jù)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速n與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置振動(dòng)以及車內(nèi)噪聲峰值頻率f之間的關(guān)系[5]。

式中，i為振動(dòng)和噪聲的階次。由上述公式可知，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在2600rpm附近的二階頻率為87Hz，因此車身結(jié)構(gòu)重點(diǎn)需控制頻率為87Hz。

1.2 車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與查找

對(duì)該SUV車型白車身進(jìn)行有限元模態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試，用仿真計(jì)算指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果。求解系統(tǒng)模態(tài)問(wèn)題就是求解系統(tǒng)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，實(shí)際上是求解系統(tǒng)的特征值和特征向量的過(guò)程，也是對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)方程解耦的過(guò)程。對(duì)白車身進(jìn)行微分方程求解，得到的特征值便是系統(tǒng)的模態(tài)頻率，相應(yīng)的特征向量就是該頻率的模態(tài)振型[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置安裝在右前縱梁上，因此，分析車身結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)重點(diǎn)分析關(guān)注白車身右前縱梁模態(tài)。

2.2.1 車身CAE模態(tài)計(jì)算

建立SUV白車身CAE網(wǎng)格模型，白車身主要通過(guò)沖壓鈑金件焊接而成，利用Altair Hypermesh軟件對(duì)白車身幾何模型進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格尺寸為10?10mm，建立仿真車身數(shù)模網(wǎng)格單元數(shù)量一共為396310個(gè)，其中三角形單元網(wǎng)格單元一共19419個(gè)，占總單元數(shù)4.9%，滿足模型建模精度要求。同時(shí)，各Shell板件的焊接關(guān)系采用ACM單元模擬，螺栓連接采用Bolt單元模擬，對(duì)建立好的板件模型需賦予合理的厚度、材料等屬性，并檢查模型網(wǎng)格質(zhì)量與設(shè)計(jì)質(zhì)量是否一致，如不一致，需對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行配重處理。建立好的白車身網(wǎng)格模型如圖5所示。

通過(guò)MSC.Nastran求解器計(jì)算白車身模態(tài)分析結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)艙右縱梁（右懸置安裝位置）存在90Hz Y向擺動(dòng)模態(tài)，如圖6所示。

2.2.2 車身結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)

對(duì)白車身右縱梁進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，模態(tài)試驗(yàn)所用采集數(shù)據(jù)設(shè)備為L(zhǎng)MS  Test.Lab的Impact Testing采集模塊，模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三個(gè)部分。

將白車身右縱梁簡(jiǎn)化成一條折線，沿著車身右縱梁均勻布置3向振動(dòng)傳感器，一共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，圖7為白車身右縱梁自由模態(tài)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置示意圖。測(cè)試的過(guò)程中需監(jiān)視相干函數(shù)并對(duì)頻響函數(shù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證[7]。所有測(cè)點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)都需經(jīng)過(guò)相干函數(shù)的驗(yàn)證，相干系統(tǒng)普遍大于0.9。試驗(yàn)所得車身右縱梁Y向的擺動(dòng)模態(tài)為87Hz，如圖8所示。

對(duì)CAE仿真模態(tài)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者的Y向擺動(dòng)模態(tài)振型相似，頻率誤差在4%以內(nèi)，說(shuō)明仿真分析得到的模態(tài)值和相應(yīng)的仿真方法可信度高，該振型對(duì)應(yīng)頻率與車內(nèi)2600r/min轟鳴聲問(wèn)題頻率相吻合，該階次模態(tài)很可能被發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)激起，并對(duì)激勵(lì)產(chǎn)生放大作用。

2.2.3 問(wèn)題模態(tài)頻率優(yōu)化

根據(jù)模態(tài)仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，明確87Hz中右縱梁90Hz  Y向擺動(dòng)模態(tài)為問(wèn)題頻率模態(tài)，以CAE仿真分析結(jié)果指導(dǎo)，觀察模態(tài)振型和應(yīng)變能分布，設(shè)計(jì)4個(gè)改善措施分別為：方案1：水箱上橫梁處增加內(nèi)板；方案2 前圍流水槽加支架；方案3：右懸置安裝板由1.4mm加厚至2.0mm；方案4：右縱梁施加Y向90Hz吸振器（2kg）。

由表1可看出，四種方案分別實(shí)施后模態(tài)變化情況，其中方案1、方案2、方案3分別針對(duì)車身右縱梁相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，但模態(tài)值提升有限，方案4通過(guò)在右縱梁懸置前下方加Y向90Hz吸振器，這個(gè)階次模態(tài)消失，效果顯著。

3.優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)CAE分析結(jié)果，在右縱梁（右懸置處下方）安裝調(diào)制好的87Hz吸振器，重量為2kg，如圖9所示。進(jìn)行客觀測(cè)與主觀評(píng)價(jià)?？陀^測(cè)試的結(jié)果體現(xiàn)，安裝吸振器后，車內(nèi)駕駛員右耳2600rpm的2階峰值降低5dB（A），降幅明顯，懸置被動(dòng)側(cè)相應(yīng)2階振動(dòng)峰值完全消除。如圖10和圖11所示。

在驗(yàn)證充分的基礎(chǔ)上，組織相關(guān)人員進(jìn)行試乘試駕，主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果表明：在右縱梁實(shí)施動(dòng)吸振器方案后，2600rpm左右的轟鳴聲消失，主觀感受明顯提升，乘坐舒適性也得到了顯著改善。

4.總結(jié)

本文針對(duì)某SUV車內(nèi)2600rpm轟鳴聲，通過(guò)相關(guān)分析法查找噪聲源，通過(guò)CAE分析確定該問(wèn)題點(diǎn)產(chǎn)生的具體原因，

（1）本文針對(duì)某SUV新車正向開(kāi)發(fā)試制樣車階段出現(xiàn)加速轟鳴聲問(wèn)題，從試驗(yàn)手段出發(fā)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究，排查出加速工況2600rpm2階振動(dòng)主要由右懸置Y向傳遞，主要原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)下，經(jīng)過(guò)傳遞路徑放大，從而產(chǎn)生車內(nèi)轟鳴聲。

（2）對(duì)SUV車身進(jìn)行白車身前右縱梁仿真模態(tài)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試，結(jié)果顯示在90Hz車身前右縱梁存在Y向擺動(dòng)模態(tài)，從而確定傳遞路徑放大具體原因，通過(guò)通過(guò)CAE快速方案制定與驗(yàn)證，為試驗(yàn)試制節(jié)省寶貴時(shí)間、迅速確定指導(dǎo)方向、降低生產(chǎn)成本，將仿真分析最優(yōu)的方案（加吸振器）進(jìn)行試驗(yàn)試制驗(yàn)證，成功消除該轉(zhuǎn)速范圍下的轟鳴聲，達(dá)到優(yōu)化目的。

（3）通過(guò)此問(wèn)題研究，總結(jié)出車型NVH正向開(kāi)發(fā)中車身結(jié)構(gòu)共振問(wèn)題引起車內(nèi)噪聲的解決思路。同時(shí)為后續(xù)車型車身結(jié)構(gòu)模態(tài)規(guī)劃積累了經(jīng)驗(yàn)，具有指導(dǎo)意義。

作者：劉利1，劉國(guó)彬1，陳祝健1，夏洪兵1

作者單位：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心1

來(lái)源：2017汽車NVH控制技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集