基于傳遞路徑的車內(nèi)轟鳴聲解析與優(yōu)化

嚴(yán)輝

摘 要：本文闡明了乘用車車內(nèi)轟鳴聲的產(chǎn)生機(jī)理，并介紹了轟鳴聲的分析與控制方法。文中按照“激勵源-傳遞路徑-響應(yīng)”的分析思路，對某SUV車型的車內(nèi)轟鳴聲進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)與分析，找出了該車車內(nèi)轟鳴聲的主要問題。針對該車高轉(zhuǎn)速車內(nèi)轟鳴聲過大的問題，重點(diǎn)分析了前減振塔及加強(qiáng)橫梁、前圍防火墻、前風(fēng)擋玻璃對其車內(nèi)轟鳴聲的影響程度。通過優(yōu)化前圍與前風(fēng)擋玻璃支撐剛度，降低車身振動，有效地緩解了高轉(zhuǎn)速段的車內(nèi)轟鳴聲問題。通過本文的試驗(yàn)與分析，為高轉(zhuǎn)速段車內(nèi)轟鳴聲的改善提供了成功的解決方案和改進(jìn)措施，具有較大的工程參考價值。

關(guān)鍵詞：轟鳴音；激勵源；傳遞路徑；優(yōu)化

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0030-05

Abstract： This paper illustrated the mechanism of passenger vehicle interior booming noise， then introduced the analysis and controlled method. The paper analyzed a SUV interior booming noise in detail by “excitation source， transfer path and response” method and found out the main reason of the booming noise. Aiming at the high speed booming noise of this vehicle， analyzed the strut tower， tower reinforcement， front dash panel and windshield glass vibration. By enhanced the front dash panel and windshield support stiffness， reduced the vehicle vibration， and effectively alleviated the high speed interior booming noise. Through test and analysis in this paper， it provided successful solutions and improvement measures for vehicle high speed booming noise. It had great reference value for engineering.

Key Words： booming noise； excitation source； transfer path； optimization

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者對乘用車的舒適性要求越來越高。汽車技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，汽車行業(yè)間的競爭日益白熱化，汽車NVH性能已成為區(qū)分汽車好壞最為直接的標(biāo)準(zhǔn)之一。

加速時車內(nèi)轟鳴聲是整車NVH性能的一個重要評價指標(biāo)。本文對某自主SUV在開發(fā)過程中出現(xiàn)的加速轟鳴音過大問題進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)與分析，按照“激勵源-傳遞路勁-響應(yīng)”的分析思路，著重分析了車內(nèi)高速轟鳴音的產(chǎn)生原因及影響因素。重點(diǎn)分析了前減振塔及加強(qiáng)橫梁、前圍防火墻、前擋風(fēng)玻璃對車內(nèi)加速轟鳴音的影響，針對具體的問題提出了相應(yīng)地解決措施。同時進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)所提出的改進(jìn)措施是可行的、有效的，可廣泛地用于實(shí)際的工業(yè)化需求中。

1 轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理與控制

1.1 轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理

乘用車車身壁板由多塊薄鋼板沖壓后焊接而成，具有自身的結(jié)構(gòu)模態(tài)。而車身內(nèi)部封閉的空氣也會形成許多振動模態(tài)或聲腔模態(tài)，當(dāng)密閉空腔內(nèi)的空氣受到壓縮時，就會產(chǎn)生純體積變化，展現(xiàn)出很高的阻抗，與車身結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合作用[1]。轟鳴聲主要是由于車身板件振動與空腔的聲腔模態(tài)發(fā)生耦合而產(chǎn)生的低頻噪聲。

轟鳴聲為低頻噪聲，按照激勵種類可分為：動力總成產(chǎn)生的轟鳴聲，主要集中在25-200Hz，對于常用的直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)，主要由發(fā)動機(jī)二階不平衡量引起車身結(jié)構(gòu)振動與腔體模態(tài)耦合產(chǎn)生的[2]，特別是大功率、高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)，其引起的高轉(zhuǎn)速轟鳴聲尤為突出。路面行駛轟鳴聲，頻率范圍為30-50Hz，由輪胎徑向剛度變化、偏心以及路面沖擊產(chǎn)生的。排氣系統(tǒng)轟鳴聲，由排氣管道中不穩(wěn)定的氣流對管道產(chǎn)生沖擊引發(fā)排氣系統(tǒng)共振產(chǎn)生的。

1.2 轟鳴聲控制

在汽車設(shè)計中，解決轟鳴聲問題的重點(diǎn)是找到激勵源并減小激勵力。在汽車動力總成選型初期，應(yīng)充分考慮所選發(fā)動機(jī)的動力學(xué)特性，了解其振動激勵特性。對于往復(fù)活塞式直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)，其內(nèi)部慣性力系中的不平衡力和力矩是引起振動和噪聲的重要激勵源。主要存在沿氣缸中心線方向和曲軸旋轉(zhuǎn)方向的二階振動[3]，其主要考慮二階不平衡力源，由往復(fù)慣性力Fj及其慣性力矩Tj和燃燒氣體力矩Tg組成：

式中：mj 為活塞連桿組往復(fù)當(dāng)量質(zhì)量；r為曲柄半徑；D為活塞直徑；λ為連桿比，λ=r/l，l為連桿長度；ω為發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動角速度。

從公式中可知：其二階不平衡力系以2倍于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的規(guī)律變化；往復(fù)慣性力和力矩與曲軸角速度的平方成正比，其大小將隨轉(zhuǎn)速急劇增加。如果發(fā)動機(jī)裝有配重平衡機(jī)構(gòu)，則發(fā)動機(jī)內(nèi)的不平衡力及力矩就可以抵消[4]。

在實(shí)際中，通常很難在激勵源上開展工作。針對這種情況，可以通過改變振動傳遞路徑和車身結(jié)構(gòu)來降低轟鳴聲。影響乘用車車內(nèi)轟鳴聲的主要傳遞路徑有：發(fā)動機(jī)懸置、排氣吊耳、傳動軸及車身懸架連接等[5]。車身的重要板件：前防火墻、前風(fēng)擋、前地板及頂棚等也是形成轟鳴聲的重要因素，若板件剛度不足，極易跟車身空腔模態(tài)耦合而產(chǎn)生強(qiáng)烈的轟鳴聲。另外一種比較有效的解決方案是采用主動噪聲控制，該方法的技術(shù)要求及成本均很高。

2 激勵源分析及問題提出

該自主SUV配置2.0L和2.3L兩款同系列發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)形式基本一致。其最大的不同在于：相比2.0L發(fā)動機(jī)，2.3L發(fā)動機(jī)在油底殼處增加了雙平衡軸機(jī)構(gòu)，如下圖1所示：

平衡軸的旋轉(zhuǎn)速度是發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的兩倍，可以極大的減少發(fā)動機(jī)的二階振動，從而達(dá)到更加理想的減振效果[6]。為了掌握發(fā)動機(jī)二階振動情況，分析發(fā)動機(jī)內(nèi)部平衡軸的減振效果。本文對同排量（均為2.0L）車型的不同發(fā)動機(jī)（有無平衡軸）進(jìn)行了發(fā)動機(jī)本體振動試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下圖2所示。同時對該SUV的2.0L和2.3L車型進(jìn)行了車內(nèi)轟鳴聲試驗(yàn)，其前排二階噪聲試驗(yàn)結(jié)果如下圖3所示：

從上圖2中可以看出：與無平衡軸的發(fā)動機(jī)相比，發(fā)動機(jī)在配置平衡軸后，其二階振動量得以顯著降低，降幅達(dá)15dB左右，從根源上降低了對車身結(jié)構(gòu)的激勵。右上圖3中可以看出：有平衡軸時，其車內(nèi)轟鳴聲（2階次）明顯減小，在高轉(zhuǎn)速段低近10dB。據(jù)此，可以推斷：發(fā)動機(jī)二階振動激勵極大地決定了其車內(nèi)轟鳴聲（二階）的嚴(yán)重程度，是車內(nèi)轟鳴聲最為重要的激勵源，特別是在高轉(zhuǎn)速段。該2.0L車型轟鳴聲以二階成分為主，其二階轟鳴聲超過目標(biāo)值近5-8dB，加速時其高轉(zhuǎn)速主觀感受轟鳴感嚴(yán)重，極大的影響了該車的乘坐舒適性，必須采取措施予以改善。

3 轟鳴聲傳遞路徑解析

通過上述分析，已知該2.0L車型的發(fā)動機(jī)二階振動是其車內(nèi)轟鳴聲的主要激勵源。但在實(shí)際的開發(fā)工作中，通常很難從振動源上對其進(jìn)行控制。因此，需要從各個傳遞路徑上進(jìn)行分析，找出引起車內(nèi)轟鳴聲的主要傳遞路徑。

本文通過大量的試驗(yàn)與分析，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)前排駕駛員右耳處的二階高轉(zhuǎn)速轟鳴聲與前減振塔及加強(qiáng)橫梁、前圍防火墻及前風(fēng)擋玻璃振動有著密切的關(guān)聯(lián)程度。主觀上，在高轉(zhuǎn)速段轟鳴聲明顯時，該車的前儀表板及前風(fēng)擋玻璃振感明顯。在斷開前減振塔加強(qiáng)橫梁與車身連接后，其車內(nèi)前排轟鳴聲在高轉(zhuǎn)速段有明顯的改善，如下圖4所示。主觀感受高轉(zhuǎn)速轟鳴聲也有明顯改觀。

為了明確轟鳴聲的傳遞路徑，本文進(jìn)一步分析了前減振塔座與前圍及前風(fēng)擋玻璃支撐結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)其原始支撐剛度偏弱，特別是右側(cè)支撐，導(dǎo)致右側(cè)減振塔處振動偏大。下圖6為左右側(cè)減振塔處的振動試驗(yàn)對比結(jié)果：

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，可以判定該車高轉(zhuǎn)速段轟鳴聲主要的傳遞路徑為：發(fā)動機(jī)二階振動（激勵源）→發(fā)動機(jī)懸置（傳遞路徑）→減振塔座（傳遞路徑）→前圍及前風(fēng)擋玻璃振動（響應(yīng)）→車內(nèi)轟鳴聲（現(xiàn)象）。

4 轟鳴聲優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1 轟鳴聲優(yōu)化方案

通過對該車高轉(zhuǎn)速轟鳴聲的原因解析，右側(cè)前圍防火墻與風(fēng)擋支撐剛度不足，從而引起前防火墻及前風(fēng)擋振動產(chǎn)生轟鳴聲。為了減少前減振塔、前圍及前風(fēng)擋玻璃振動響應(yīng)，需要進(jìn)一步優(yōu)化前減振塔加強(qiáng)橫梁與前圍連接剛度，特別是右側(cè)連接點(diǎn)，具體的優(yōu)化措施如下圖7所示：

因前圍及前風(fēng)擋玻璃均為大面積薄板件結(jié)構(gòu)，極易產(chǎn)生振動而引起車內(nèi)低頻轟鳴聲[7]。因此，在設(shè)計過程中，通常需要關(guān)注其面剛度及連接剛度。通過以上補(bǔ)強(qiáng)方案，大大提高了前圍與車身、前風(fēng)擋玻璃的連接剛度，進(jìn)一步改善此傳遞路徑及結(jié)構(gòu)的振動與傳遞特性。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對該車高轉(zhuǎn)速轟鳴聲解決方案，為了驗(yàn)證前圍支撐優(yōu)化后的效果，特進(jìn)行了對比試驗(yàn)。下圖8為3檔全油門加速時，車內(nèi)前排駕駛員右耳處的轟鳴聲（二階）對比結(jié)果：

從上圖結(jié)果對比中，可以看出：通過加強(qiáng)前圍支撐后，該車的前排駕駛員右耳處的二階轟鳴聲在高轉(zhuǎn)速段（4000～5200r/min）有了較為明顯的改善效果，有近3～5dB的降幅；且整個常用高轉(zhuǎn)速段的轟鳴聲幅值變化趨于平坦；特別是在4300r/min、4800r/min和5200r/min轉(zhuǎn)速下的峰值，均有較為顯著的改善效果，峰值基本消失。

同時，本文也對比了前圍防火墻及右側(cè)減振塔處的振動情況，試驗(yàn)對比分析結(jié)果（二階）如下圖9所示：

從上圖可以看出：優(yōu)化后，前圍防火墻及右側(cè)減振塔處的X向振動在高轉(zhuǎn)速段有明顯的改善。

5 結(jié)論

該車在競品分析階段，通過前期競品調(diào)查與分析，獲悉該款車型搭載的2.0L發(fā)動機(jī)內(nèi)部無平衡軸，而同排量競品車均配置有平衡軸。通過比對發(fā)動機(jī)本體二階振動及車內(nèi)二階轟鳴聲試驗(yàn)結(jié)果，獲知：

1、平衡軸可以有效地降低和消除發(fā)動機(jī)二階振動量，從而減小車身振動，以控制車內(nèi)低頻轟鳴聲，特別是在高轉(zhuǎn)速段；

2、該車的高轉(zhuǎn)速轟鳴聲主要由于發(fā)動機(jī)二階激勵過大引起。

針對該車高轉(zhuǎn)速段車內(nèi)轟鳴聲過大的問題，通過對可能引起轟鳴聲的傳遞路徑進(jìn)行逐步解析，找出了其主要的傳遞路徑：發(fā)動機(jī)二階振動→發(fā)動機(jī)懸置→減振塔及加強(qiáng)橫梁→前圍防火墻及風(fēng)擋玻璃→車內(nèi)高轉(zhuǎn)速轟鳴聲。在不大幅增加控制成本的前提下，通過優(yōu)化前圍與前風(fēng)擋玻璃的支撐剛度，有效地降低其振動及傳遞，使該車的車內(nèi)高轉(zhuǎn)速轟鳴聲得以較好地控制。

本文以“激勵源-傳遞路徑-響應(yīng)”為總體思路，對某SUV車型的車內(nèi)轟鳴聲進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)與分析，提出了有效的改善方案，并驗(yàn)證了其改善效果。為車內(nèi)高速轟鳴聲的解決，提供了典型的成功案例，具有廣泛的實(shí)際工程參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華 汽車噪聲與振動-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：312-314.

[2]王志亮，劉波，王磊，轎車轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理與分析方法研究[J] 噪聲與振動控制 2008（2）：79-81.

[3]Nakamura， H. A Low Vibration Engine with Unique Counter-Balance Shafts[J] SAE Technical Paper 760111， 1976 02 01， doi：10.4271/760111.

[4]徐兆坤， 孫樹亭， 吳偉蔚， 吳明威 四缸內(nèi)燃機(jī)振動分析及其對策[J] 噪聲與振動控制2007年12月， 第6期.

[5]劉東明，項(xiàng)黨，羅清，鄭金鑫 傳遞路徑分析技術(shù)在車內(nèi)噪聲與振動研究與分析中的應(yīng)用[J] 噪聲與振動控制 2007年8月 第四期.

[6]李雙虎 發(fā)動機(jī)平衡分析及平衡優(yōu)化設(shè)計[D] 中北大學(xué) 2010.5.9 P10-12.

[7]靳曉雄，白勝勇，等.車身板件振動聲學(xué)貢獻(xiàn)計算模擬[J].汽車工程， 2000（4）.