王 娜 張學(xué)萍

(安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 安徽合肥 230601)

某型汽車的室內(nèi)存在很大的轟鳴噪聲，嚴(yán)重影響了駕駛員及乘客的舒適性。文章針對這一問題，進(jìn)行整車NVH試驗，通過傳感器測試并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可評估各振動源對室內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)程度，并通過CAE模擬給出改進(jìn)的方向，從而有針對性地采取措施，獲得最直接的效果。通過CAE模擬發(fā)現(xiàn)提高前懸置剛度和降低后懸置剛度可以在一定程度上降低車身的振動，并通過整車NVH試驗得到了驗證。

1 設(shè)備與方案

1.1 設(shè)備及軟件

試驗用到的設(shè)備儀器有數(shù)據(jù)采集設(shè)備DATaRec-SQlab(用于采集信號)，筆記本電腦一個(用于數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換)，Artemis軟件(用于數(shù)據(jù)分析)，麥克風(fēng)傳感器兩個(用于測量室內(nèi)聲音)，振動傳感器九個(用于測量傳送系通振動加速度)

CAE模擬用到的軟件為Natran和Patran有限元分析軟件。

1.2 方案

為了查明造成車室內(nèi)噪音的原因，對室內(nèi)聲音進(jìn)行信號采集并對其進(jìn)行頻率分析找出問題存在的主要原因，并對傳動系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的振動信號測量，并與車室內(nèi)噪音測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以期待找到造成車室內(nèi)噪音的最主要原因。由于噪聲在車輛4檔全加速中最明顯，故在測試中車輛工況采用4檔全加速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 000～3 500rpm。

針對試驗測得到的問題部件，對其進(jìn)行CAE模擬優(yōu)化進(jìn)而找到最佳方案，最終在實車上進(jìn)行試驗對模擬方案進(jìn)行驗證。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)噪聲水平分析

對駕駛員位置和后排位置進(jìn)行聲音信號的采集，測試工況為4檔全加速，測試范圍為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～3 500rpm。采集得到發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下駕駛員位置的聲音分貝值，如圖1所示。發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下車內(nèi)后排位置的分貝值見圖2。

圖1 駕駛員位置聲音現(xiàn)狀分析

圖2 后排位置聲音現(xiàn)狀分析

由圖1和圖2可以看出，駕駛員位置聲音在50～60Hz左右，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～1 800rpm左右存在很大的峰值。后排位置的聲音，在50～70Hz左右，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～2 100rpm左右存在很大的峰值，此處便是主觀感受到的轟鳴噪聲。

2.2 商務(wù)車傳動系統(tǒng)振動特性調(diào)查

由于主觀評價感受到的噪聲是從地板的振動傳到車內(nèi)，并在車內(nèi)空腔進(jìn)行了聲學(xué)放大，故判斷傳動系振動是造成問題的主要來源。對傳動系統(tǒng)進(jìn)行振動特性測量，以期待找到造成車內(nèi)噪音的具體原因。

2.2.1 車輛行駛測試 對傳動系統(tǒng)進(jìn)行振動特性測量及信號采集，測試工況為4檔全加速，測試范圍為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000～3 500rpm。測量位置說明如表1所示。

表1 試驗位置說明

對變速器部位進(jìn)行信號采集記錄其三個方向的振動加速度值。對應(yīng)車室內(nèi)問題頻率范圍內(nèi)的振動幅值未發(fā)現(xiàn)明顯振動峰值，如圖3所示，故室內(nèi)轟鳴噪聲與變速器相關(guān)性并不大。

對傳動軸中間軸承支架進(jìn)行信號采集記錄其振動加速度值。對應(yīng)車室內(nèi)問題頻率范圍內(nèi)的振動幅值未發(fā)現(xiàn)明顯振動峰值，如圖4所示，故室內(nèi)轟鳴噪聲與傳動軸相關(guān)性并不大。

對主減速器本體和懸置后車體的一個加速度傳感器進(jìn)行信號采集記錄其振動加速度值，如圖5所示。主減速器本體和懸置后車體均存在50～70Hz的振動峰值，由此判斷，車內(nèi)噪聲是由主減速器振動通過懸置傳向車體地板而產(chǎn)生的。

圖3 變速器振動加速度值

圖4 傳動軸中間軸承支架加速度值

圖5 主減速器振動加速度值

2.2.2 對測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果 發(fā)動機(jī)扭矩變動作為激振力，通過驅(qū)動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動傳達(dá)到主減速器殼體。以上所分析的振動，受主減懸置系共振頻率的影響，形成較大的振動峰值；振動向地板傳達(dá)，并形成車體共振，造成車室內(nèi)轟鳴噪聲；特別是4檔WOT時，轟鳴聲及車體振動最為惡劣，車室內(nèi)噪聲有5～10dB的改善余地。

為了改善車內(nèi)噪聲，可以通過改變主減速器懸置剛度來解決，由于調(diào)整各種剛度對進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗工作量很大卻較難實現(xiàn)，可采用CAE模擬找到方案。

3 CAE優(yōu)化方案分析

3.1 有限元模型的建立與模態(tài)分析

利用Natran建立有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。分別設(shè)置使用要素種類、邊界條件、材料如表2所示，各處彈簧剛度如表3所示，利用Patran進(jìn)行計算分析可得出其固有頻率如表4所示。

圖6 主減速器有限元模型

(1)使用要素種類。①軸類：BEAM要素；②主減殼體：SHELL要素；③懸置支架：SOLID要素；④懸置：CELAS要素。

(2)邊界條件。①與變速器輸出口接合處：X向自由，其余約束；②懸置與車身連接處：對地彈簧；③萬向節(jié)處：RY自由，其余約束。

(3)材料。各零件材料如表2所示。

表2 各零件材料

(4)各處彈簧剛度。各處彈簧剛度如表3所示。

表3 各處彈簧剛度(單位：N/mm)

(5)固有模態(tài)分析。固有模態(tài)計算結(jié)果如表4所示。

表4 固有模態(tài)的計算結(jié)果

通過計算發(fā)現(xiàn)，無論怎么調(diào)整各處的剛度值，表4中的8階模態(tài)值雖然有所變化，但這些振型始終存在。另外，通過計算結(jié)果與測試結(jié)果的對比，可以知道，第4價扭轉(zhuǎn)模態(tài)和第6階Z向擺振模態(tài)與測試結(jié)果非常接近。這也說明CAE計算用的模型精度達(dá)到了可信程度。在此模型的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步進(jìn)行振動特性分析及方案選定。

3.2 前、后懸置剛度值變更對車身振動的影響分析(振動靈敏度分析)

通過模態(tài)分析，確認(rèn)了所建立的分析模型的精度，在此模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步做振動特性分析，以找出最有效的改進(jìn)方向。分別變更主減速器的懸置剛度，首先變更主減速的前懸置剛度。分析模擬可知，隨著前懸置剛度的提高主減速器振動減低，如圖7所示。隨著主減速器前懸置剛度增加10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%，主減速器振動在不斷降低。繼續(xù)調(diào)整主減速器后懸置剛度，分析模擬可知，隨著后懸置剛度的降低主減速器振動減低，如圖8所示。隨著主減速器后懸置剛度降低10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%，主減速器振動在不斷降低。通過多種方案的分析對比，發(fā)現(xiàn)提高前懸置剛度和降低后懸置剛度可以在一定程度上降低車身的振動。

圖7 不同懸置剛度下主減速器前部振動加速度值

圖8 不同懸置剛度下主減速器后部振動加速度值

4 優(yōu)化方案與實施效果

通過CAE模擬分析可知增加主減速器前懸置剛度可改善主減速器的振動，進(jìn)而改善車內(nèi)噪聲。結(jié)合主減速器懸置的特性及生產(chǎn)條件，選取主減速器前懸置剛度增加30%進(jìn)行試驗驗證。

測試主減速器本體處的振動加速度信號值，如圖9所示，原始狀態(tài)下主減速器本體在1 500～2 200rpm處峰值存在很大的峰值，主減速器前懸置剛度增加30%時，在1 500～2 200rpm處峰值已經(jīng)降低到很小的振動值。

圖9 主減速器前懸置不同剛度的主減速器振動加速度值

同時，在主減速器前懸置剛度增加30%時，測得車內(nèi)聲壓級信號如圖10、圖11所示。主減速器前懸置原始狀態(tài)下，駕駛室內(nèi)聲壓級在1 500～1 800rpm處峰值存在很大的峰值，后排聲壓級在1 800～2 100rpmm處峰值存在很大的峰值；主減速器前懸置剛度增加30%時，駕駛室內(nèi)聲壓級在1 500～1 800rpm處聲壓級已經(jīng)不存在明顯的峰值，聲壓級整體降低8～10dB，后排聲壓級在1 800～2 100rpm處聲壓級已經(jīng)不存在明顯的峰值，聲壓級整體降低10～15dB。

圖10 主減速器前懸置不同剛度的駕駛室內(nèi)聲壓級信號

圖11 主減速器前懸置不同剛度的室內(nèi)后排聲壓級信號

5 結(jié)論

某型商務(wù)車內(nèi)轟鳴噪聲對車內(nèi)人員的舒適性帶來了不利的影響，通過對室內(nèi)聲音特性的分析和傳動系統(tǒng)振動特性分析，發(fā)現(xiàn)了主減速器的振動特性與車內(nèi)噪聲有很大的相關(guān)性，利用有限元模擬建立主減速器模型并改變主減速器剛度發(fā)現(xiàn)提高前懸置剛度和降低后懸置剛度可以在一定程度上降低車身的振動。通過整車試驗對主減速器前懸置剛度增加30%進(jìn)行測試，得到主減速器振動大幅度降低，車內(nèi)轟鳴噪聲已經(jīng)不明顯，整體聲壓級明顯降低，為問題的改進(jìn)提供了確實可行的方案。