基于逆矩陣法的整車路噪仿真研究

王昱昕　陳馨蕊　賈新建　成傳勝

摘 要：搭建了某SUV的整車模型，通過采集粗糙路面下轉(zhuǎn)向節(jié)加速度響應(yīng)和仿真得到的輪心到測試點的傳函，應(yīng)用逆矩陣法提取輪心載荷，進行了路噪性能的預(yù)測。仿真的路噪結(jié)果與測試結(jié)果基本一致，表明該方法精度較高，可以用于項目前期的路噪性能預(yù)測和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：整車；逆矩陣法；路噪

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0057-02

1 概述

在人們的消費水平日益增長的同時，對于車的要求也愈加苛刻。如今，NVH性能作為汽車乘坐舒適性的關(guān)鍵因素，它給用戶的感受是最直接和最表面的，已成為評判汽車“品質(zhì)”的重要依據(jù)之一。路噪是指道路激勵噪聲（Road Noise），即由于輪胎受粗糙路面的激勵，直接（空氣聲）或由底盤間接（固體聲）傳遞到車廂內(nèi)部的噪聲[1]。路面不平度激勵引起的振動是車輛所不可避免的，作為車身振動現(xiàn)象的頻率為5Hz～60Hz左右，以車身板件為主產(chǎn)生的振動噪聲在30Hz～300Hz的低、中頻范圍內(nèi)，這是路面激勵引起車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要頻率段，也是顧客容易感受到的頻率段。因此如果能采用CAE技術(shù)，在設(shè)計階段就預(yù)測出車內(nèi)的噪聲水平，準確快速提出優(yōu)化方案，進行風險規(guī)避，對提高汽車產(chǎn)品的競爭力具有十分重要的意義。

目前整車路噪性能的預(yù)測主要有兩種方法。（1）建立模態(tài)輪胎，以路面不平度為輸入進行路噪計算[2]；（2）不考慮輪胎系統(tǒng)，以軸頭處的激勵力為輸入進行路噪計算[3]。輪胎是一個非線性很強的結(jié)構(gòu)，由于無法獲取建立模態(tài)輪胎模型需要詳細的輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，本文將采用方法二，通過“試驗”和“仿真”相結(jié)合的方法，基于實車采集的轉(zhuǎn)向節(jié)加速度響應(yīng)和仿真得到的輪心到測試點的傳函，提取輪心力，進行特定工況下的整車路噪仿真分析及優(yōu)化。

2 路噪仿真分析方法簡介

整車路噪的仿真流程如下圖1所示。

這套仿真方法將輪心力作為激勵源，得到整車在路面激勵下的車內(nèi)噪聲響應(yīng)。在特定的粗糙路面下測量物理樣車轉(zhuǎn)向節(jié)位置的振動信號，由整車有限元模型計算得到輪心到振動測點位置的力-加速度傳遞函數(shù)，通過傳遞函數(shù)逆矩陣法間接得到輪心力。將四個輪子的輪心力同時施加在整車有限元模型上，即可得到整車路噪。該方法的優(yōu)勢在于：（1）規(guī)避了輪胎高度非線性的影響，提高了仿真的準確度；（2）將懸架系統(tǒng)加入整車路噪的分析及優(yōu)化過程中，提供更多的優(yōu)化途徑；（3）路噪分析的頻率一般可達250Hz，如果有限元模型的精度較高，頻率也可以拓展到500Hz。

3 整車路噪仿真解決方案

本文選取某款小型SUV預(yù)測其整車路噪性能。

3.1 整車模型搭建及檢查

整車模型共分為Trimmed body、Cavity、Steering System、Powertrain、Suspension五個部分。搭建好整車模型之后，進行整車模態(tài)計算，對模型進行初步的檢查及調(diào)試，檢查車身連接是否完整，檢查底盤運動關(guān)系是否正確。如圖2所示，關(guān)注一些典型的整車模態(tài)結(jié)果，如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱模態(tài)、垂向、橫向模態(tài)，懸架系統(tǒng)的HOP、TRAMP模態(tài)，動力總成的剛體模態(tài)等。從模態(tài)分析結(jié)果中可以看出，發(fā)動機剛體模態(tài)相對其他車型略高；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操控模態(tài)低于5Hz，運動關(guān)系表現(xiàn)正常；前、后懸架模態(tài)13～17Hz，分布正常。車身各連接無誤，底盤系統(tǒng)的運動關(guān)系正確，整車模型的質(zhì)量滿足整車計算的精度要求，可以用于后續(xù)路噪分析的求解。

3.2 輪心載荷提取

輪心載荷是通過采集實車轉(zhuǎn)向節(jié)上的加速度信號，結(jié)合仿真分析得到的輪心傳遞函數(shù)矩陣Hs，利用逆矩陣法反求得到。輪心載荷提取的基本試驗要求如下：

（1）路面類型：粗糙路面；（2）環(huán)境條件：試驗應(yīng)在無雨、雪、冰雹等惡劣天氣下進行，背景噪聲應(yīng)至少小于被測噪聲10dB；（3）車輛條件：試驗車輛滿足整車技術(shù)要求；各總成、部件、附件及附屬裝置（包括隨車工具和備胎）應(yīng)按規(guī)定裝備齊全，裝在規(guī)定的位置上，并固定牢靠；（4）車速及檔位條件：檔位應(yīng)選擇能穩(wěn)定工作的次高檔，試驗車速為50Km/h。轉(zhuǎn)向節(jié)的振動傳感器布置圖3所示。

選擇駕駛員右耳作為車內(nèi)響應(yīng)點，如圖4所示。

計算從各輪心每個自由度（X，Y，Z，RX，RY，RZ）到轉(zhuǎn)向節(jié)測點及車內(nèi)響應(yīng)點的傳遞函數(shù)，每個輪心6個工況，共24個工況。根據(jù)傳遞函數(shù)和測試得到的振動信號，計算出每個輪心的載荷。

3.3 整車路噪響應(yīng)分析

將提取的輪心載荷施加在整車模型上，計算出粗糙路面下的整車路噪結(jié)果，并與實驗結(jié)果對比，如圖5所示。前排駕駛員右耳噪聲響應(yīng)仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比，峰值和趨勢接近，仿真中在40Hz出現(xiàn)一個波峰，而測試中未出現(xiàn)；在86Hz處仿真和實驗結(jié)果均出現(xiàn)一個噪聲峰值，可作為路噪優(yōu)化的方向。

經(jīng)分析得知，40Hz的峰值主要是由于背門的整體模態(tài)引起，可以進一步檢查模型中背門的配重，調(diào)整密封條、緩沖塊和鎖扣的剛度，與實驗測試的背門模態(tài)值對標。

4 結(jié)語

規(guī)避了高度非線性的輪胎部件，采用試驗與仿真結(jié)合的方式，通過轉(zhuǎn)向節(jié)加速度和輪心到測試點的傳函，利用逆矩陣法求取粗糙路面下的輪心載荷，該方法可以獲得中低頻范圍內(nèi)較為準確的輪心載荷，提高了仿真的準確度。路噪的仿真和測試結(jié)果對比，峰值與趨勢接近，吻合程度較高，平均誤差不超過5dB，表明該方法精度較高，可以用于項目開發(fā)階段的路噪目標設(shè)定、性能預(yù)測、問題診斷、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，為項目研發(fā)節(jié)約大量的成本。

參考文獻

[1]余雄鷹，劉波，張軍，等.路面激勵導致的汽車低頻轟鳴聲控制及應(yīng)用研究[C].2015中國汽車工程學會年會論文集，2015，（4）：1825-1827.

[2]Kido， I.， Ueyama， S.， Hashioka， M.， etc. Tire and Road Input Modeling for Low-Frequency Road Noise Prediction[J].SAE Int. J. Passeng.Cars-Mech. Syst.2011，（2）：1277-1282.

[3]Park， J.， Gu， P.， Juan， J.， etc. Operational Spindle Load Estimation Methodology for Road NVH Applications[J].SAE Technical Paper，2001，（01）：1606.