吳文江，董紅濤，劉佳

（1.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

引言

NVH性能是衡量整車舒適性以及彰顯技術(shù)實(shí)力的重要標(biāo)志，它是客戶能直接感受到的，一輛車能否贏得市場(chǎng)青睞，NVH性能已成為衡量標(biāo)準(zhǔn)。而轟鳴作為NVH性能的重要表現(xiàn)形式之一，不僅影響客戶對(duì)整車舒適性的評(píng)價(jià)，而且會(huì)極大影響駕駛安全性，因此避免轟鳴現(xiàn)象的發(fā)生顯得尤為重要。

近年來，NVH分析理論與仿真技術(shù)比較成熟，一些學(xué)者和領(lǐng)域技術(shù)人員運(yùn)用試驗(yàn)與 CAE仿真相結(jié)合的技術(shù)解決了某些工況下的轟鳴問題，如：閆碩等針對(duì)某款SUV怠速車內(nèi)轟鳴問題運(yùn)用有限元分析、模態(tài)試驗(yàn)和ODS等仿真和測(cè)試技術(shù)，使車內(nèi)轟鳴聲在問題頻率處幅值大幅降低，取得了很好的效果[1]。穆國寶等通過有效的理論計(jì)算和CAE分析技術(shù)并結(jié)合試驗(yàn)有效的解決了某車型的加速轟鳴問題[2]。但實(shí)際上建立仿真模型所需的邊界條件誤差還是達(dá)不到實(shí)際運(yùn)用所要求的精度，新車上市前通過試驗(yàn)方式對(duì)整車各系統(tǒng)（如懸架系統(tǒng)+汽車傳動(dòng)系統(tǒng)+動(dòng)力總成系統(tǒng)等）進(jìn)行調(diào)校仍然是目前最真實(shí)、最有效的開發(fā)步驟，也是新車上市前的最后一道改進(jìn)措施[3]。

本文針對(duì)某汽車品牌即將上市的新車型加速工況下3600rpm附近存在的前排轟鳴問題，應(yīng)用LMS Test.lab軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試診斷，提出了解決該問題的方案并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性，對(duì)同類問題的控制具有借鑒意義。

1 轟鳴噪聲產(chǎn)生機(jī)理

汽車乘坐室內(nèi)是一個(gè)充滿空氣的密閉空間，而作為彈性體的空氣會(huì)在密閉的乘坐室內(nèi)形成許多振動(dòng)模態(tài)或聲腔模態(tài)，當(dāng)密閉的乘坐室受到壓縮時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生體積變化并有很高的阻抗，與乘坐室內(nèi)的空氣的聲腔模態(tài)在低頻范圍內(nèi)有很強(qiáng)的耦合作用。這種低頻的耦合模態(tài)在激勵(lì)作用下如果響應(yīng)過大，便會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動(dòng)，引起人耳不適，甚至出現(xiàn)頭暈、惡心等癥狀，這種現(xiàn)象被稱為轟鳴聲（Boom）[4]?？梢娹Z鳴聲是在激勵(lì)源作用下經(jīng)傳遞路徑到達(dá)車身使車身壁板某部分的振動(dòng)與聲腔模態(tài)耦合而產(chǎn)生的結(jié)果，因此要解決轟鳴噪聲問題首先需要找到激勵(lì)源，以確定激起聲腔模態(tài)的頻率，然后可以采用控制激勵(lì)源、傳遞路徑或者響應(yīng)的措施對(duì)轟鳴聲加以控制。

2 轟鳴聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

2.1 激勵(lì)源分析

試驗(yàn)車輛為某汽車品牌的CVT車型，發(fā)動(dòng)機(jī)為直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。主觀評(píng)價(jià)該車型在D檔緩油門加速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3600rpm附近時(shí)駕駛室轟鳴聲明顯。根據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果在干燥瀝青路面上對(duì)該車型進(jìn)行噪聲測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3600rmp附近噪聲聲壓總級(jí)存在明顯的峰值，達(dá)到73.6dB，這與主觀評(píng)價(jià)吻合，并且2階噪聲在3600rpm附近貢獻(xiàn)量最大，圖1所示。

圖1 D檔緩油門加速駕駛員右耳噪聲總級(jí)及階次

分析 colormap圖發(fā)現(xiàn)該噪聲的能量分布具有很明顯的階次性，并且3500-3700rpm，116-123Hz存在明顯的共振帶，這是導(dǎo)致2階噪聲能量貢獻(xiàn)大的原因，圖2所示。

圖2 駕駛員座椅右耳噪聲colormap圖

由以上分析可確定該轟鳴噪聲的頻率為120Hz附近。由直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性可由下式計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火階次頻率：

其中i=2，n=3600rpm帶入上式可得f=120Hz。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的噪聲具有明顯的階次能量分布的特點(diǎn)[5]，可確定該轟鳴噪聲問題的激勵(lì)源為發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)。

2.2 響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)分析

為確定是否有車身板件與聲腔模態(tài)耦合，應(yīng)用LMS Test.lab軟件中的Spectral -Testing模塊進(jìn)行聲腔模態(tài)測(cè)試得到前兩階聲腔模態(tài)，如圖3、圖4所示。一階模態(tài)頻率63.7165Hz，二階模態(tài)頻率122.5922Hz，可見確實(shí)有車身板件在120Hz附近與二階聲腔模態(tài)耦合。

圖3 一階聲腔模態(tài)

圖4 二階聲腔模態(tài)

該轟鳴聲主要集中于車內(nèi)前排，對(duì)頂棚前部以及前左右車門鈑金件較薄弱部位進(jìn)行NTF（Noise Transfer Function）測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明在120Hz頻率附近駕駛員右耳處噪聲都有較明顯的峰值，如圖5至7所示。后續(xù)將對(duì)這些位置的振動(dòng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化控制。

圖5 頂棚NTF曲線

圖6 前左車門NTF曲線

圖7 前右車門NTF曲線

2.3 傳遞路徑分析

由于該轟鳴噪聲的激勵(lì)源為發(fā)動(dòng)機(jī)2階激勵(lì)，故優(yōu)先考慮發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)的傳遞路徑， 初步判斷該轟鳴聲的傳遞路徑為：發(fā)動(dòng)機(jī)→右懸置→右前縱梁→車身→轟鳴。

針對(duì)上述傳遞路徑，在懸置、右前縱梁位置布置三向加速度傳感器，在干燥瀝青路面上D檔緩油門加速工況下進(jìn)行多組道路測(cè)試，結(jié)果顯示車身右前縱梁2階Y向振動(dòng)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600rpm附近有明顯峰值對(duì)駕駛員座椅右耳聲壓總級(jí)貢獻(xiàn)量較大，如圖8所示。驗(yàn)證了上述傳遞路徑分析的正確性。

圖8 傳遞路徑分析圖

3 轟鳴噪聲控制方案

3.1 優(yōu)化方案分析

基于源-傳遞路徑-響應(yīng)的NVH控制思路，針對(duì)該轟鳴問題可以從激勵(lì)源、傳遞路徑、響應(yīng)點(diǎn)3個(gè)方面加以控制。該車型屬于新車上市前的最后調(diào)校階段，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)定型對(duì)激勵(lì)源即發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整已經(jīng)沒有可行性；對(duì)振動(dòng)噪聲的傳遞路徑進(jìn)行控制是解決 NVH問題的普遍做法，也是最有效的做法；對(duì)響應(yīng)點(diǎn)的控制主要是通過聲學(xué)包裝衰減振動(dòng)噪聲。

綜合考慮成本及結(jié)構(gòu)空間的可操作性，最后決定采取在前左右車門以及前頂棚內(nèi)鈑金部位附加瀝青阻尼片及在車身右前縱梁位置懸垂安裝動(dòng)力吸振器的綜合優(yōu)化措施對(duì)該轟鳴問題加以控制。

3.2 阻尼動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)

根據(jù)鄧哈托等人由固定點(diǎn)理論得到的優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)阻尼動(dòng)力吸振器，主要設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）選擇合適的質(zhì)量比，確定動(dòng)力吸振器的質(zhì)量 m。計(jì)算公式為 m=μ×Mr其中 Mr為主振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量，μ為動(dòng)力吸振器與主振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量比，一般 μ的取值范圍為0.1-0.3。考慮到布置空間及成本問題，一般動(dòng)力吸振器的質(zhì)量不宜超過 2Kg，這里取 μ=0.1，選擇的動(dòng)力吸振器的質(zhì)量m=2Kg。

（2）根據(jù)最佳調(diào)諧比λ確定動(dòng)力吸振器的固有頻率和動(dòng)剛度。

式中 ωa動(dòng)力吸振器的固有圓頻率；ωn為主振動(dòng)系統(tǒng)的固有圓頻率；fa為動(dòng)力吸振器固有頻率；fn為主系統(tǒng)固有頻率；k為動(dòng)力吸振器動(dòng)剛度。

（3）根據(jù)最佳阻尼比公式，計(jì)算粘性阻尼系數(shù)ηa。

（4）根據(jù)以上動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)參數(shù)，充分考慮布置、結(jié)構(gòu)等因素設(shè)計(jì)動(dòng)力吸振器，然后將動(dòng)力吸振器懸垂布置于車身右前縱梁位置，安裝狀態(tài)如圖9所示。

圖9 動(dòng)力吸振器安裝位置

4 轟鳴控制方案試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 加阻尼片方案驗(yàn)證

車身壁板屬于輕薄結(jié)構(gòu)，而輕薄結(jié)構(gòu)有容易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的問題，控制這種振動(dòng)噪聲的一個(gè)有效方法就是在結(jié)構(gòu)局部附加阻尼材料。所謂阻尼減振技術(shù)，就是將高阻尼材料附著在結(jié)構(gòu)件表面，通過耗散結(jié)構(gòu)件的能量達(dá)到減振目的。這種方法不改變機(jī)器的聲輻射特征，卻能有效控制其振動(dòng)水平，從而使噪聲減小[6]。在頂棚前部以及前左右車門內(nèi)鈑金件較薄弱部位粘貼瀝青阻尼片，在干燥瀝青路面上，測(cè)試D檔緩油門加速工況下駕駛員右耳處的噪聲，結(jié)果表明附加瀝青阻尼片之后在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600rpm附近駕駛員右耳處的噪聲聲壓總級(jí)有明顯下降，由73dB左右下降到70dB左右，優(yōu)化效果明顯，見圖10。

圖10 加阻尼片測(cè)試效果

4.2 阻尼片和動(dòng)力吸振器綜合優(yōu)化方案驗(yàn)證

在4.1優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，在車身右前縱梁位置懸垂安裝動(dòng)力吸振器，路試結(jié)果表明通過在前左右車門、前頂棚內(nèi)鈑金部位附加瀝青阻尼片以及在車身右前縱梁位置懸垂安裝動(dòng)力吸振器的綜合優(yōu)化措施，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600rmp附近的駕駛員右耳處的噪聲聲壓總級(jí)由73dB左右降為67dB左右，并且曲線的線性度也有明顯改善?？蛻粼囻{主觀感受和測(cè)試結(jié)果相符，完全滿足了客戶要求，見圖11。

圖11 阻尼片加動(dòng)力吸振器綜合測(cè)試效果

5 結(jié)語

本文針對(duì)某汽車品牌即將上市的 CVT新車型存在的 D檔緩油門加速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600rpm附近時(shí)車內(nèi)前排轟鳴噪聲明顯問題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，確定了該轟鳴聲的激勵(lì)源及發(fā)生耦合的模態(tài)頻率，分析了車身壁板的振動(dòng)，找到了該轟鳴聲的主要傳遞路徑并設(shè)計(jì)了動(dòng)力吸振器，在此基礎(chǔ)上制定了解決該轟鳴噪聲問題的綜合優(yōu)化控制措施，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制措施的有效性，最終使該轟鳴噪聲由 73dB左右降為67dB左右，滿足了客戶的要求。