陳祝健，邱群虎，黃靈河，謝小洋，黃杰巧

（1.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津300300；2.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545000）

作為評價汽車性能的一個重要指標之一，NVH性能早已成為消費者購買汽車時重點關(guān)注的話題。隨著人們生活水平的提高，消費者對汽車的舒適性要求也越來越高。因此，提升汽車NVH性能是企業(yè)提高汽車品牌形象和市場銷量的重要手段之一[1-3]。汽車異響和轟鳴音是影響汽車NVH 性能的最重要因素，也是汽車研發(fā)階段最常見的問題，因此快速解決異響和轟鳴音對提高市場競爭力有著重要意義[4-6]。

文中基于振動噪聲理論[7-8]，運用濾波分析法、小波變換技術(shù)和仿真手段對某SUV車型1檔、2檔及3檔小油門加速工況、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時出現(xiàn)的guagua 異響問題進行診斷分析，確定異響產(chǎn)生的根源，同時，也發(fā)現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時2階轟鳴的根源與產(chǎn)生異響的根源相同。最后制定改進措施并制作樣件。經(jīng)實車驗證，該優(yōu)化方案可有效解決異響和轟鳴聲問題。

1 問題分析方法與診斷過程

1.1 小波變換分析

在進行瞬態(tài)問題數(shù)據(jù)分析時，有時需特別關(guān)心信號在局部范圍內(nèi)的時域特征，如異響是在什么時間發(fā)生的，這種分析對時域分辨率要求很高，對頻域分辨率要求低。而傅里葉變換不具備精確的時間局部化分析能力，不能有效分析局部信號。短時傅里葉變換也不能敏感地反應信號的突變，因此也不能很好地刻畫突變的信息。小波變換具備很好的時間局部性和變化的時頻分辨率，能對信號進行多分辨率分析，從而滿足了很多非平穩(wěn)信號需要多分辨率的時頻局部化分析要求。因此小波分析方法成為了目前發(fā)展最為迅速的時頻分析方法。文中運用LMS Test.Lab 軟件的Time Frequency Analysis 模塊對測試數(shù)據(jù)進行時頻處理分析，快速識別出問題時頻和頻域特征，從而快速精準地找出異響產(chǎn)生的根源[9-10]。

1.2 濾波回放分析

LMS Test.Lab 軟件有自帶的音頻回放濾波器，利用濾波器的這種選頻作用可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。文中利用LMS 帶通濾波器進行音頻回放對比分析，能快速識別異響頻段，從而準確地確認異響的頻率范圍。

1.3 主觀評價

抽取3臺實驗樣車進行主觀評價，均發(fā)現(xiàn)1檔、2檔和3 檔小油門加速工況、發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 至3 300 r/min 時車內(nèi)前排出現(xiàn)異響（guagua 顫音），并且存在轟鳴音。初步判斷，該異響來自儀表臺和發(fā)動機艙。

1.4 測試與數(shù)據(jù)分析

為精確確認異響的頻率成分及出現(xiàn)位置，采用采用LMS Test. Lab 測試系統(tǒng)中Signature Testing-Advanced 模塊，對異響最明顯的試驗車進行振動和噪聲測試。該試驗車搭載1.8T 渦輪增壓發(fā)動機，車輛半載，試驗路面為平滑的瀝青路面。試驗工況：1擋、2 擋、3 擋POT（部分油門開度）在3 000 r/min～3 500 r/min 范圍反復多次加減速及3 擋WOT（全油門加速）。麥克風布置在駕駛員右耳、儀表臺上方、發(fā)動機與前圍之間、排氣歧管及水管附近。在懸置、發(fā)動機水管、排氣吊鉤、進氣管路上布置PCB 三向振動傳感器。

采用小波變換技術(shù)，對測試數(shù)據(jù)進行時頻域和帶通濾波音頻回放對比分析，確認異響頻率成分為0.5 kHz～1.5 kHz，濾除該頻率成分后，異響消失。同步分析其它噪聲測點，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機水管（為金屬管，一端連接發(fā)動機水室，一端連接水泵）近場及機艙近場噪聲測點中存在該異響頻率成分，確認該異響來自發(fā)動機本體。對比分析振動測點，發(fā)現(xiàn)水泵連接的水管振動與駕駛員右耳測點異響頻帶一致，而其他測點（懸置、排氣歧管支架、排氣吊鉤、進氣管路）中，僅排氣歧管支架存在600 Hz成分（后確認為該支架模態(tài)），但振幅相對較小。綜上，初步認為發(fā)動機水管為異響源的可能性最大。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖1所示。

1.5 水泵連接水管改制驗證

分析發(fā)動機水管3擋WOT工況時的振動發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速為2 800 r/min～3 100 r/min時發(fā)動機2階Y、Z向均存在振動峰值，振幅最大2.07 g。初步推斷為該連接水管受發(fā)動機激勵產(chǎn)生共振，為進一步確認問題根源，通過增加質(zhì)量塊改變水管模態(tài)、抑制振幅的方法進行驗證，如圖2所示。

對發(fā)動機水管加質(zhì)量塊的試驗車進行主觀評價和測試分析發(fā)現(xiàn)：

(1)主觀評價異響出現(xiàn)頻次降低，原狀態(tài)每次加速均能出現(xiàn)異響，改制后，僅3擋POT工況偶爾出現(xiàn)輕微異響。

(2)對發(fā)動機水管振動和駕駛右耳噪聲進行時頻域?qū)Ρ确治?，?jīng)改制后水管振動及駕駛員右耳噪聲中異響頻率成分幅值下降，如圖3、圖4和圖5所示。

(3)在3 檔全油門加速工況時，增加質(zhì)量塊后，駕駛右耳3 028 r/min 2 階噪聲峰值下降4 dB（A），轟鳴聲消除。對應水管X向2 階3 028 r/min 振動峰值由1.21 g 下降至0.88 g，Z向2 階2 840 r/min 振幅峰值由2.1 g下降至0.2 g，但在2 325 r/min出現(xiàn)振幅為1.31 g的峰值，并引起駕駛員右耳對應轉(zhuǎn)速2階噪聲峰值由53.3 dB（A）上升至59 dB（A）?？梢?，增加質(zhì)量塊后，水管振幅下降，模態(tài)頻率降低，如圖6所示。

1.6 發(fā)動機水管安裝結(jié)構(gòu)分析

圖1 車內(nèi)及機艙近場噪聲、水管振動時頻域?qū)Ρ?/p>

圖2 連接水管上增加約0.8 kg質(zhì)量塊

圖3 水管Z向振動

圖4 水管振動Z向時頻域曲線

圖5 駕駛員右耳時頻域曲線

圖6 駕駛員右耳聲壓級與水管振動對比

結(jié)構(gòu)件振動產(chǎn)生異響，通常為振動位移較大，并與相鄰件產(chǎn)生運動干涉發(fā)出噪聲[11-12]。分析水管的結(jié)構(gòu)及與對手件裝配狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，該水管靠近水泵端的鈑金支架與發(fā)動機缸體通過螺栓連接，兩端與發(fā)動機水室、水泵連接口對接后通過橡膠密封圈進行密封，可理解為水管兩端為彈性約束，因此，當水管振動位移較大時，水管兩端存在與水室、水泵連接口接觸并產(chǎn)生噪聲的可能。另外，水泵連接水管與發(fā)動機是彈性連接，中間僅一個支架固定，此類結(jié)構(gòu)整體剛度較低，容易在發(fā)動機正常轉(zhuǎn)速范圍引起共振，如圖7所示。

圖7 水管安裝方式

此外，該水管及發(fā)動機水室出水口通過橡膠軟管與前圍空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)連接，為主要的振動傳遞路徑。

1.7 初步結(jié)論

綜上，結(jié)合主觀評價與測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確認異響和3 000 r/min 2階轟鳴音均為水泵連接水管共振所致。并且，通過拆卸發(fā)現(xiàn)，水管接頭與水室接口存在明顯磨痕，如圖8所示，進一步確認了該水管在發(fā)動機2階激勵下產(chǎn)生共振時與水室接口存在接觸和相對運動，從而產(chǎn)生異響。

圖8 水管與水室接口

2 水管結(jié)構(gòu)模態(tài)分析與優(yōu)化

在確認水泵連接水管為該異響主要原因后，建立水管CAE分析模型，結(jié)合模態(tài)測試結(jié)果對水管的CAE模型進行修正，開展模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 水管實測模態(tài)

因?qū)嵻嚑顟B(tài)下空間狹小，無法開展整車狀態(tài)下水管的模態(tài)測試，因此選擇在拆卸后的發(fā)動機上完成該項測試。模態(tài)測試采用LMS Test. Lab 測試系統(tǒng)中Impact Testing 模塊進行信號采集，用力錘進行激勵。傳感器布置在水管上并獲取水管特性，運用移動力錘法進行測量，如圖9所示。

圖9 水管模態(tài)試布點位置

在發(fā)動機拆卸、水管無冷卻水狀態(tài)下水管1 階約束模態(tài)為176 Hz，陣型表現(xiàn)為Z向跳動，測試結(jié)果如圖10和11 所示。發(fā)動機正常運行時水管是注滿水狀態(tài)，水溫高達90°C 以上，兩端密封橡膠圈的剛度也會下降。因此，考慮水的重量及溫度影響，在發(fā)動機正常運行時水管模態(tài)將低于176 Hz。根據(jù)發(fā)動機附屬件的約束模態(tài)設計要求，必須高于發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速（最高6 000 r/min）范圍內(nèi)的2 階激勵頻率（200 Hz），并考慮15%的頻率間隔，因此，必須通過優(yōu)化，使水管約束模態(tài)提升至230 Hz以上。

2.2 水管有限元仿真分析

在既有CAD模型上采用有限元方法，建立水管有限元仿真模型，其中薄板件構(gòu)件采用殼單元，網(wǎng)格尺寸設定為4 mm，水管接頭密封圈彈性連接使用彈性單元模擬，水管與發(fā)動機缸體的固定支架采用剛性連接約束，仿真模型如圖12所示。運行工況下，水管內(nèi)水加載采用非結(jié)構(gòu)質(zhì)量模擬。

圖10 水管頻響測試結(jié)果

圖11 水管模態(tài)測試結(jié)果

圖12 水管CAE模型

由于密封圈的剛度未能測試，本案中通過對比實測模態(tài)，修正彈性單元（CBUSH)參數(shù)使模型仿真結(jié)果與實測一致，以確保模型能夠準確模擬水管安裝約束狀態(tài)。經(jīng)調(diào)試，模型約束模態(tài)計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 未考慮水質(zhì)量全約束狀態(tài)

未考慮水質(zhì)量全約束狀態(tài)水管1階模態(tài)頻率仿真值為176 Hz，陣型主要表現(xiàn)Z向跳動，與實測水管模態(tài)一致，模型準確。因此，可在此模型基礎(chǔ)上針對水管進行仿真及優(yōu)化分析。

2.3 水管優(yōu)化

方案1，管路增加0.8 kg 質(zhì)量，仿真結(jié)果如圖14所示，水管1 階約束模態(tài)為85 Hz，印證了前期異響排查時采用的加質(zhì)量塊的結(jié)果。由于模態(tài)降低，在低速工況會帶來車內(nèi)噪聲峰值上升，不予考慮。

圖14 水管優(yōu)化方案1

方案2，進水管小頭側(cè)（陣型振幅較大）位置增加一個約束支架，支架的厚度為3 mm，通過螺栓與發(fā)動機缸體剛性連接，水管1 階約束模態(tài)頻率計算結(jié)果為266 Hz，如圖15所示，滿足大于230 Hz 的優(yōu)化目標要求。

圖15 水管優(yōu)化方案2

表1 水管優(yōu)化方案對比/Hz

綜上，考慮到優(yōu)化方案工程化實施可行性，方案2可以借用發(fā)動機缸體側(cè)現(xiàn)有的安裝孔，容易實施，最終確認增加固定支架為最終工程化方案，并制作樣件進行實車驗證。

2.4 優(yōu)化方案效果驗證

根據(jù)優(yōu)化方案，在水管上配焊L型支架，并與發(fā)動機缸體螺栓連接如圖16所示。

然后進行對比測試分析和主觀評價，結(jié)果如下。

(1)增加固定支架后，主觀評價1擋、2擋、及3擋POT（部分油門開度）在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min～3 500 r/min 時異響消除；3WOT 工況駕駛員右耳3 000 r/min下的轟鳴聲消除。

圖16 水管增加支架

(2)測試數(shù)據(jù)顯示，采用給水管增加支架提高水管模態(tài)方案，駕駛員右耳測點和水管振動Z 向測試時域振幅都有明顯的下降，如圖17和圖18所示。

圖17 水管Z向振動時頻域曲線

圖18 駕駛員右耳時頻域曲線

駕駛員右耳3 040 r/min 2 階轟鳴聲下降4 dB，如圖19所示。

3 結(jié)語

(1)引起小油門加速工況3 100 r/min“guagua”異響和轟鳴的主因是水泵連接水管安裝模態(tài)頻率偏低，受發(fā)動機2 階激勵在3 000 r/min 附近產(chǎn)生共振并與對接件接觸而產(chǎn)生異響，采用增加安裝支架提高該水管約束模態(tài)的方案可有效消除異響，降低轟鳴聲。

圖19 駕駛員右耳2階曲線

(2)本文研究工作為發(fā)動機附屬件模態(tài)匹配設計提供了參考思路和借鑒。水泵連接水管與發(fā)動機直接相連，兩端接口有橡膠密封圈，此類結(jié)構(gòu)模態(tài)通常較低，容易在發(fā)動機正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)引起共振，在開發(fā)前期一般可以考慮通過增加支架約束方式來提高模態(tài)頻率，約束模態(tài)頻率最低要求大于230 Hz。

(3)小波變換、濾波回放等信號時頻域分析方法能夠快速有效識別異響類瞬態(tài)信號特征。