韋永尤，鄧聚才，陳志寧

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

軟件應(yīng)用

商用車駕駛室阻尼布置位置優(yōu)化

韋永尤，鄧聚才，陳志寧

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

以某重型商用車駕駛室為分析對(duì)象，通過建立駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和聲學(xué)有限元模型，進(jìn)行了駕駛室模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、駕駛室板塊貢獻(xiàn)量分析，計(jì)算出駕駛員右耳旁的聲壓級(jí)，找出影響駕駛員右耳旁噪聲的板塊位置，并對(duì)噪聲貢獻(xiàn)量大的板塊進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，通過系統(tǒng)的室內(nèi)噪聲研究和改進(jìn)，有效降低了某型號(hào)駕駛室室內(nèi)噪聲。

商用車；駕駛室；阻尼；降噪

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)車輛的乘坐舒適性提出了更高的要求。駕駛室內(nèi)部噪聲是車輛乘坐舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)，它將直接影響到產(chǎn)品的競爭力。

汽車在行駛過程中，駕駛室鈑金受到外界激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而向駕駛室內(nèi)部輻射噪聲。試驗(yàn)研究表明，對(duì)于駕駛室來說駕駛室鈑金振動(dòng)輻射出來的結(jié)構(gòu)低頻噪聲在駕駛室內(nèi)噪聲中占主要地位[1]。因此，減小駕駛室鈑金振動(dòng)是降低室內(nèi)噪聲最直接的方法。通過阻尼處理來降低鈑金振動(dòng)，是國內(nèi)外目前普遍采用的減振降噪方法。如何有效而準(zhǔn)確地確定阻尼材料布置位置和面積，是駕駛室內(nèi)部降噪的關(guān)鍵。

本文以某重型商用車駕駛室為分析對(duì)象，介紹了阻尼材料的主要特性指標(biāo)及獲得方法，建立了駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和聲學(xué)有限元模型，進(jìn)行了駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、聲學(xué)模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、駕駛室鈑金貢獻(xiàn)量分析，計(jì)算出駕駛員右耳旁的聲壓級(jí)，找出影響駕駛員右耳旁噪聲的板塊位置，并對(duì)噪聲貢獻(xiàn)量大的板塊進(jìn)行優(yōu)化，采取相應(yīng)措施進(jìn)行降噪處理。結(jié)果表明，通過優(yōu)化商用車駕駛室阻尼布置位置，可以有效降低駕駛員右耳旁噪聲，提高整車乘坐舒適性。

1 阻尼材料

阻尼材料是利用高分子材料的粘彈性將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，從而達(dá)到減振降噪目的一種材料[2]。在汽車駕駛室鈑金上，大量采用阻尼材料來抑制鈑金共振，降低駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)響應(yīng)，從而降低室內(nèi)噪聲。

阻尼材料具有儲(chǔ)能和耗能兩種特性，其彈性模量可用復(fù)模量模型表示[3]，即：

式中：E*為復(fù)彈性模量；E′為復(fù)彈性模量實(shí)部；E″為復(fù)彈性模量虛部；η損耗因子。

試樣材料在振動(dòng)一周中單位內(nèi)所損耗的能量為：

式中，ε0為最大拉伸應(yīng)變。

由上式可以得出，要使振動(dòng)能量耗散達(dá)到最大值，必須使ηE′的乘積為最大，阻尼材料的實(shí)模量E′和損耗因子η是評(píng)價(jià)阻尼材料的主要特性指標(biāo)，這兩項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值可以通過測(cè)量獲得。

2 駕駛室有限元模型建立

在HyperMesh軟件中建立駕駛室有限元模型，主要包括如下零部件：白車身、兩車門、前擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗玻璃、后窗玻璃以及相應(yīng)的密封膠、阻尼板。有限元模型主要采用殼單元來模擬各個(gè)鈑金結(jié)構(gòu)零件與玻璃，用實(shí)體單元來模擬密封膠和阻尼板，焊點(diǎn)連接采用CWELD單元，螺栓連接采用RBE2單元，縫焊連接采用RBE2單元。

在Hypermesh軟件中將駕駛室結(jié)構(gòu)有限元分析模型所有孔洞封閉，導(dǎo)出結(jié)構(gòu)有限元模型，在LMS Virtual.Lab軟件Cavity Meshing模塊進(jìn)行聲腔網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算精度，對(duì)于線性有限元模型來說，要求在最小波長內(nèi)有6個(gè)單元，也就是最大單元的邊長要小于最高計(jì)算頻率點(diǎn)處的波長的1/6[4].

3 駕駛室模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一階模態(tài)都有其特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，模態(tài)可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。進(jìn)行駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可以確定駕駛室固有頻率是否與振源的激勵(lì)頻率接近，從而可以避免共振現(xiàn)象發(fā)生，減少駕駛室振動(dòng)及噪聲。模態(tài)計(jì)算頻率高于求解的頻率上限即可。本文采用RADIOSS求解器對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，計(jì)算出220 Hz以內(nèi)頻率的模態(tài)頻率和振型。

聲腔模態(tài)分析可以預(yù)測(cè)聲腔模態(tài)與結(jié)構(gòu)模態(tài)是否耦合，為保證精度，參與計(jì)算的聲腔模態(tài)固有頻率上限至少為分析頻率上限的2倍。本文采用LMS Virtual.Lab軟件分析駕駛室聲腔模態(tài)，計(jì)算出0～400 Hz頻率范圍內(nèi)的模態(tài)頻率和振型。

4 駕駛室頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)是指計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對(duì)每一個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng)。為了得到振動(dòng)邊界條件，需要對(duì)駕駛室進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。在駕駛室4個(gè)懸置點(diǎn)+Z向施加10～200 Hz的單位力激勵(lì)，頻率步長設(shè)置為1 Hz，采用RADIOSS求解器對(duì)駕駛室進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，即可計(jì)算出在該頻率范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。

5 駕駛室聲學(xué)靈敏度分析

駕駛室聲學(xué)靈敏度也稱為噪聲傳遞函數(shù)（Noise Transfer Function，簡稱NTF），是指施加于駕駛室的單位力在駕駛室內(nèi)產(chǎn)生的聲壓，它表示駕駛室結(jié)構(gòu)與內(nèi)部空腔的聲學(xué)相關(guān)特性，也表示駕駛室內(nèi)部空腔對(duì)施加于駕駛室結(jié)構(gòu)的激勵(lì)所產(chǎn)生的噪聲響應(yīng)，是駕駛室結(jié)構(gòu)與內(nèi)部空腔所固有的結(jié)構(gòu)—聲學(xué)特性。

通過對(duì)駕駛室的聲學(xué)靈敏度的研究分析，可以在設(shè)計(jì)階段就能準(zhǔn)確了解駕駛室的結(jié)構(gòu)——聲學(xué)特性，從而有助于盡早發(fā)現(xiàn)和修正潛在的設(shè)計(jì)問題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和低噪聲設(shè)計(jì)，也可以在已知激勵(lì)的情況下，對(duì)駕駛室噪聲進(jìn)行預(yù)估和模擬控制，為實(shí)際控制提供依據(jù)。

駕駛室聲學(xué)靈敏度分析以駕駛室頻率響應(yīng)分析結(jié)果為輸入條件，在LMS Virtual.Lab軟件中采用聲學(xué)有限元法計(jì)算駕駛室內(nèi)部駕駛員右耳旁聲壓響應(yīng)，計(jì)算了無阻尼、原車阻尼和阻尼優(yōu)化三種工況下的駕駛員右耳旁聲壓響應(yīng)。

6 駕駛室板塊貢獻(xiàn)量分析

駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)噪聲是由駕駛室內(nèi)所有板塊振動(dòng)引起的，對(duì)于特定的振動(dòng)激勵(lì)，駕駛室內(nèi)各板塊對(duì)于特定位置的噪聲貢獻(xiàn)量是不同的。駕駛室內(nèi)各板塊的振動(dòng)大小和振動(dòng)相位直接影響到室內(nèi)噪聲，這種影響不僅有大小之分，而且還有正負(fù)之分[5]。

對(duì)于有限數(shù)量單元或板塊，空腔內(nèi)某場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)P和頻率ω關(guān)系式為：

式中：{vns}為表面速度列向量；ATV為聲場(chǎng)貢獻(xiàn)矢量。

當(dāng)所有板塊都振動(dòng)時(shí)，空腔內(nèi)某場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)可以用n個(gè)有限元發(fā)生振動(dòng)引起聲壓的矢量疊加，即該場(chǎng)點(diǎn)總聲壓P用下式表示：

式中：Pe為第e個(gè)有限元聲壓；{ve}為第e個(gè)有限元表面速度；ATVe為第e個(gè)有限元聲場(chǎng)貢獻(xiàn)矢量。

將組成板塊的各單元聲壓疊加，即可獲得該板塊振動(dòng)引起的聲壓Pc

式中，pe為組成該板塊的單元數(shù)

為了量化各板塊對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)程度，引入了振動(dòng)的聲學(xué)貢獻(xiàn)系數(shù)概念。板塊Pc對(duì)某場(chǎng)點(diǎn)的聲學(xué)貢獻(xiàn)系數(shù)Dc是該板塊振動(dòng)生成的聲壓Pc在該場(chǎng)點(diǎn)總聲壓P矢量上的投影，表示為

式中，P*為P的共軛復(fù)數(shù)，Re為該復(fù)數(shù)的實(shí)部。

聲學(xué)貢獻(xiàn)系數(shù)Dc的物理意義可以理解為，當(dāng)一個(gè)具體的板塊產(chǎn)生的聲壓與總聲壓相位相同時(shí)，貢獻(xiàn)系數(shù)為正，否則為負(fù)。進(jìn)行駕駛室結(jié)構(gòu)噪聲改進(jìn)時(shí)，就是要減少噪聲貢獻(xiàn)量為正的板塊的振動(dòng)。

為得到各板塊的聲學(xué)貢獻(xiàn)量，需要將聲學(xué)網(wǎng)格劃分為不同的板塊，如圖1所示。

圖1 聲學(xué)板塊劃分

在LMS Virtual.Lab軟件中進(jìn)行板塊貢獻(xiàn)分析，可以得到計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)每個(gè)分析頻率下各個(gè)板塊的噪聲貢獻(xiàn)量。圖2、圖3分別為63 Hz駕駛員右耳旁板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)量—直方圖和聲學(xué)貢獻(xiàn)幅值—相位圖。

圖2 63Hz板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)量—直方圖

圖3 63Hz板塊聲學(xué)貢獻(xiàn)幅值—相位圖

從上圖可以清晰地看出，右側(cè)車門下方板塊是駕駛員右耳旁63 Hz處的噪聲峰值貢獻(xiàn)量最大的板塊，其相位與總聲壓相位一致。要降低該頻率下的噪聲，必須對(duì)該位置進(jìn)行改進(jìn)。為得到有問題板塊的精確位置，可以進(jìn)一步顯出該頻率下的頻率響應(yīng)分析結(jié)果云圖，如圖4所示。

圖4 63 Hz加速度頻率響應(yīng)結(jié)果

本文關(guān)注的是聲學(xué)靈敏度分析得到的聲壓峰值所對(duì)應(yīng)的頻率，尤其是動(dòng)力總成、傳動(dòng)系、輪胎和路面等振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生的室內(nèi)最大噪聲峰值頻率，要降低室內(nèi)噪聲峰值頻率的噪聲值，通過板塊貢獻(xiàn)量分析就可以精確找到需要改進(jìn)的板塊位置。

7 駕駛室鈑金阻尼布置優(yōu)化

通過整車振動(dòng)和噪聲測(cè)試，可以得出駕駛室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的頻譜數(shù)據(jù)，從而找到了需要進(jìn)行改進(jìn)的噪聲頻率，結(jié)合結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、聲腔模態(tài)分析、聲學(xué)靈敏度分析、塊貢獻(xiàn)量分析和頻率響應(yīng)分析結(jié)果，就可以找到需要改進(jìn)的板塊準(zhǔn)確位置。

對(duì)駕駛室鈑金進(jìn)行減振降噪有多種技術(shù)，主要包括材料變更、材料加厚、形狀改進(jìn)、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和阻尼處理等，對(duì)于已經(jīng)定型的駕駛室，對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動(dòng)代價(jià)過高，國內(nèi)外目前普遍采用的是阻尼處理技術(shù)。

根據(jù)實(shí)車測(cè)試及仿真分析結(jié)果，對(duì)某型號(hào)駕駛室鈑金相應(yīng)位置進(jìn)行阻尼處理，表1為部分位置阻尼處理對(duì)比。

表1 部分位置阻尼處理對(duì)比

根據(jù)阻尼優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行了無阻尼、原車阻尼和阻尼優(yōu)化三種工況下的駕駛員右耳旁聲壓靈敏度分析。圖5為靈敏度對(duì)比曲線。

圖5 靈敏度對(duì)比曲線

其中，需要改進(jìn)的 33 Hz、125 Hz、173 Hz和 196 Hz聲壓級(jí)都得到了明顯降低。

8 室內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)阻尼布置位置優(yōu)化方案，重新試制了某型號(hào)降噪駕駛室總成并裝車驗(yàn)證，測(cè)試了原地工況和汽車勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲值。圖6、圖7分別列出了阻尼優(yōu)化前、后以及國際標(biāo)桿車型原地工況和勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲對(duì)比。

圖6 原地工況駕駛員右耳旁噪聲對(duì)比

圖7 勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲對(duì)比

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，阻尼優(yōu)化后，某型號(hào)駕駛室，原地怠速工況駕駛員右耳旁噪聲降低2.2 dB（A），整個(gè)測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)比原車噪聲降低明顯，最大降幅達(dá)2.6 dB（A），原地工況噪聲優(yōu)于國際標(biāo)桿，怠速工況噪聲比國際標(biāo)桿低2.1 dB（A），發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 rpm時(shí)噪聲比國際標(biāo)桿低3.3 dB（A）；勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲在整個(gè)測(cè)試車速范圍內(nèi)比原車噪聲降低明顯，最大降幅達(dá)4 dB（A），勻速行駛工況噪聲在60 km/h以下車速優(yōu)于國際標(biāo)桿，在60 km/h以上車速與國際標(biāo)桿相當(dāng)，其中最常用車速80 km/h噪聲降低3.2 dB（A），達(dá)到國際標(biāo)桿水平。

9 結(jié)束語

本文以某重型商用車駕駛室為分析對(duì)象，通過建立駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和聲學(xué)有限元模型，進(jìn)行了駕駛室模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析、駕駛室板塊貢獻(xiàn)量分析，找出影響駕駛員右耳旁噪聲的板塊位置，并對(duì)噪聲貢獻(xiàn)量大的板塊進(jìn)行優(yōu)化，采取相應(yīng)措施進(jìn)行降噪處理。改進(jìn)后的某駕駛室進(jìn)行實(shí)車噪聲測(cè)試。結(jié)果表明，原地工況和勻速行駛工況駕駛員右耳旁噪聲降低明顯，使原地工況最大降幅2.6 dB（A），勻速行駛工況最大降幅達(dá)4 dB（A），達(dá)到預(yù)定的降噪目標(biāo)，使該車型室內(nèi)噪聲達(dá)到國際標(biāo)桿水平。按該優(yōu)化方案進(jìn)行小批量裝車及試驗(yàn)驗(yàn)證，室內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果與優(yōu)化車型相當(dāng)，室內(nèi)噪聲一致性良好，說明通過優(yōu)化商用車駕駛室阻尼布置位置來降低室內(nèi)噪聲結(jié)果是有效的。

[1]Nefske D J，Sung S H.Vehicle interior acoustic desigh using finite element methods[J].Journal of Vehicle Design，1995，6：24-40.

[2]曹 飛.微型客車車內(nèi)噪聲試驗(yàn)研究[J].客車技術(shù)與研究，2002，24（5）：12-15.

[3]SONG Z L，MA L Q，WU Z J，et al.Effects of viscosity on cellular structure of foamed aluminum in foaming process[J].Journal of Materials Science，2000，35（1）：15-20.

[4]黃其柏.工程噪聲控制學(xué)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.

[5]惠 巍，劉 更，吳立言.車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)與面板聲學(xué)貢獻(xiàn)度分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，10（5）：62-66.

The Damping Location Optimization of Cab for Commercial Vehicle

WEI Yong-you，DENG Ju-cai，CHEN Zhi-ning
（Dong Feng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

In this paper，structure finite element and acoustic finite element model for a heavy commercial vehicle are established to conduct cab modal analysis，frequency response analysis and panel contribution analysis.The sound pressure level of driver’s right ear is also calculated.According to the calculation results，the panels which have large contribution are located and optimized.The results show that after systematic research and improvement，the noise of internal cab can be reduced effectively.

commercial vehicle；cab；damping；noise reduction

U463.81

A

1672-545X（2017）08-0214-04

2017-05-28

韋永尤（1982－），男，廣西東蘭人，本科，工程師，研究方向：商用車NVH研究。