邵立軍，李京福，鄂世國，喬 鑫 Shao Lijun，Li Jingfu，E Shiguo，Qiao Xin

基于仿真分析的汽車加速轟鳴噪聲研究與優(yōu)化

邵立軍，李京福，鄂世國，喬 鑫
Shao Lijun，Li Jingfu，E Shiguo，Qiao Xin

（華晨汽車工程研究院 CAE工程室，遼寧 沈陽 100141）

某SUV工裝樣車3 GWOT（3 Gear Wide Open Throttle，3擋全油門加速）工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 450 r/min左右時駕駛員內(nèi)耳位置存在明顯轟鳴噪聲，試驗測試結(jié)果顯示發(fā)動機加速噪聲聲壓級曲線在該頻率下存在峰值，且2階噪聲起主導(dǎo)作用。通過NTF（Noise Transfer Function，噪聲傳遞函數(shù)）仿真分析發(fā)現(xiàn)了轟鳴噪聲傳遞的主要路徑，通過動剛度分析和模態(tài)分析確定動力總成激勵激起副車架模態(tài)是轟鳴問題產(chǎn)生的主要原因。對副車架進行改進，提高了副車架1階彎曲模態(tài)頻率，同時提高扭力臂懸置安裝點的動剛度水平，改善了噪聲傳遞函數(shù)并解決加速轟鳴問題。改進后試驗測試結(jié)果顯示發(fā)動機加速噪聲聲壓級曲線峰值在該頻率下降低，主觀感受加速轟鳴噪聲基本消失，驗證了仿真分析的準確性和改進方案的有效性。

加速轟鳴；噪聲傳遞函數(shù)；動剛度；模態(tài)

0 引 言

隨著人們對汽車舒適性要求不斷提高，NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動、聲振粗糙度）性能變的越來越重要。作為NVH性能的重要評價內(nèi)容，轟鳴噪聲普遍存在于汽車怠速、勻速和加速過程中。發(fā)動機、傳動系、排氣系統(tǒng)及不平路面激勵等因素都可能成為轟鳴聲產(chǎn)生的源頭[1]。轟鳴噪聲通常是由車身鈑金件振動與駕駛室聲腔耦合產(chǎn)生，具有聲壓級較高且頻帶較窄的特點，會使駕乘者感到焦躁不安，甚至頭暈惡心[2]，嚴重影響乘坐舒適性及整車品質(zhì)；因此，轟鳴噪聲的研究在汽車設(shè)計研發(fā)中具有重要意義。

1 問題描述

某SUV工裝樣車3GWOT（3 Gear Wide Open Throttle，3擋全油門加速）工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 450 r/min左右時，主觀評價駕駛員內(nèi)耳位置存在明顯轟鳴噪聲。該試驗車在平直水泥路面上進行加速試驗，采用LMS Test.Lab設(shè)備測試駕駛員內(nèi)耳位置噪聲聲壓級曲線，如圖1所示?？梢钥闯觯傮w噪聲聲壓級曲線在3 450 r/min左右存在明顯峰值，該峰值即為主觀評價中駕駛員內(nèi)耳轟鳴噪聲。對噪聲信號進一步分析，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)速下2階噪聲聲壓級曲線峰值形狀與總體噪聲聲壓級曲線峰值形狀相似，且接近總體噪聲水平，故判定在該轉(zhuǎn)速下2階噪聲對總體噪聲水平貢獻最大，對轟鳴問題起主導(dǎo)作用。

圖1 3 GWOT工況駕駛員內(nèi)耳位置噪聲聲壓級曲線

2 問題分析

通常情況下，絕大部分車內(nèi)噪聲問題是由動力總成激勵通過多條傳遞路徑傳遞到車內(nèi)引起[3]。為了有效地解決轟鳴噪聲問題需要找出產(chǎn)生該問題的關(guān)鍵路徑，并降低該路徑上的激勵大小或者改善該路徑的傳遞函數(shù)。在逐步排除發(fā)動機、懸置隔振、傳動系統(tǒng)及進排氣等系統(tǒng)的影響之后，將問題鎖定在動力總成懸置到駕駛員內(nèi)耳的NTF（Noise Transfer Function，噪聲傳遞函數(shù)）。根據(jù)傳遞路徑分析方法[4]，車內(nèi)噪聲總響應(yīng)與激勵力和傳遞函數(shù)的關(guān)系可表示為

圖2 動力總成懸置位置示意圖

圖3 動力總成激勵到駕駛員內(nèi)耳處響應(yīng)的傳遞路徑示意圖

3 仿真分析

3.1 NTF仿真分析

建立由帶內(nèi)飾車身和聲腔組成的流固耦合模型，在動力總成各懸置的、、3個方向分別施加單位載荷激勵，取駕駛員內(nèi)耳為響應(yīng)點，運用Nastran軟件進行頻響計算，得到發(fā)動機懸置、變速器懸置和扭力臂懸置到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線，如圖4～圖6所示。

圖4 發(fā)動機懸置到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線

圖5 變速器懸置到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線

圖6 扭力臂懸置到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線

可見扭力臂懸置向和向到駕駛員內(nèi)耳的兩條NTF曲線在120 Hz左右存在明顯峰值，且高于55dB目標(biāo)值。由于該樣車搭載的發(fā)動機為直列4缸4沖程式汽油機，則發(fā)動機轉(zhuǎn)速、階次及車內(nèi)噪聲頻率之間的關(guān)系[6]250為

當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 450 r/min左右時，其2階噪聲頻率約為115 Hz。可見NTF仿真結(jié)果中問題頻率與樣車轟鳴頻率吻合，初步判斷產(chǎn)生轟鳴問題的主要原因為問題頻率附近扭力臂懸置向和向到駕駛員內(nèi)耳的噪聲傳遞函數(shù)較大。

3.2 動剛度仿真分析

對于線性系統(tǒng)，用施加在系統(tǒng)上的力除以位移，即得到靜剛度。如果激勵力隨頻率變化，那么剛度也隨之而變，此時的剛度稱為動剛度[6]253，其幅值為

式中，d()為動剛度；為頻率；為系統(tǒng)的靜剛度；為系統(tǒng)的質(zhì)量；為系統(tǒng)的阻尼。

對帶內(nèi)飾車身模型進行S動剛度仿真分析，在扭力臂懸置向施加單位載荷激勵，取原點響應(yīng)，運用Nastran軟件進行頻響計算，得到扭力臂懸置向動剛度曲線，其對數(shù)形式如圖7所示?？梢娫撉€在118 Hz存在明顯谷值，根據(jù)基于模態(tài)法的強迫響應(yīng)原理[7]，判定該頻率為副車架彎曲模態(tài)頻率。

3.3 模態(tài)仿真分析

運用Nastran軟件，選用lanczos法對帶內(nèi)飾車身模型進行模態(tài)仿真分析，指定模態(tài)提取的頻率范圍為110～130 Hz，識別出副車架模態(tài)為118 Hz，振型為1階彎曲，其位移云圖如圖8所示。

圖7 扭力臂懸置Z向動剛度曲線

圖8 副車架1階彎曲模態(tài)位移云圖

4 改進方案

通過以上分析可推斷，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 450 r/min左右時，其2階激勵通過扭力臂懸置傳至副車架，與副車架1階彎曲模態(tài)耦合，引起副車架共振并進一步傳至車身，車身鈑金件隨之振動，輻射噪聲通過駕駛室聲腔傳遞至駕駛員內(nèi)耳產(chǎn)生轟鳴。

從動剛度及模態(tài)仿真分析結(jié)果來看，扭力臂懸置向動剛度較差且副車架1階彎曲模態(tài)頻率較低為轟鳴問題的主要原因，因此考慮對副車架進行改進。在不影響副車架功能和項目進度的前提下，綜合考慮可行性及成本造價等因素，經(jīng)過對多種改進方案仿真分析，最終采用在中通道兩側(cè)增加車身與副車架安裝點的方式來提高副車架1階彎曲模態(tài)，從而達到避頻降噪的效果。即在原副車架后部增加兩個安裝支架，改進后副車架如圖9所示。改進前、后車身與副車架連接方式對比如圖10所示。

圖9 副車架結(jié)構(gòu)改進方案

圖10 改進前、后車身與副車架連接方式對比

5 方案驗證

對副車架改進方案進行動剛度仿真分析，其結(jié)果與改進前基礎(chǔ)狀態(tài)動剛度進行對比如圖11所示。相比改進前基礎(chǔ)狀態(tài)，改進方案動剛度水平在問題頻率118 Hz下有所提升，提升約1 804 N/mm，副車架1階彎曲模態(tài)頻率也有提高，提高約9 Hz。

圖11 改進前、后扭力臂懸置Z向動剛度對比

對副車架改進方案進行NTF仿真分析，改進前、后扭力臂懸置向和向到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線對比如圖12、圖13所示。可見，副車架改進后扭力臂懸置向和向到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線在120 Hz附近分別降低約7.2 dB和4.4 dB，達到良好優(yōu)化效果。

圖12 改進前、后扭力臂懸置X向到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線對比

對改進方案進行實車驗證，測試結(jié)果如圖14所示，在3 450 r/min附近總體噪聲聲壓曲線峰值及2階噪聲聲壓曲線峰值分別降低約3.1dB(A)和3.4 dB(A)，主觀評價駕駛員內(nèi)耳位置轟鳴噪聲消失，驗證了方案的有效性。

圖13 改進前、后扭力臂懸置Z向到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線對比

圖14 改進前、后3 GWOT工況駕駛員內(nèi)耳位置噪聲聲壓級曲線對比

6 結(jié) 論

針對某SUV工裝樣車加速轟鳴問題，通過試驗確定問題轉(zhuǎn)速和主導(dǎo)階次，通過CAE仿真分析，發(fā)現(xiàn)扭力臂懸置向和向到駕駛員內(nèi)耳的NTF曲線在對應(yīng)頻率下存在峰值且高于目標(biāo)值，同時扭力臂懸置安裝點動剛度曲線在對應(yīng)頻率下存在谷值，判斷轟鳴問題產(chǎn)生的原因為動力總成激勵在該頻率下激起副車架模態(tài)，引起副車架共振并進一步傳遞至車身，車身鈑金件隨之振動，輻射噪聲通過駕駛室聲腔傳遞至駕駛員內(nèi)耳產(chǎn)生轟鳴。采用在中通道兩側(cè)增加車身與副車架安裝點的方式，改善了噪聲傳遞函數(shù)并解決加速轟鳴問題。改進后試驗測試結(jié)果顯示發(fā)動機加速噪聲聲壓級曲線在該頻率下峰值降低，主觀感受加速轟鳴噪聲基本消失，驗證了仿真分析的準確性和改進方案的有效性。

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2019-08-23

U467.4+93

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.06.004

1002-4581（2019）06-0016-05