車內(nèi)轟鳴噪聲的研究及優(yōu)化

張超，袁帥，時(shí)培偉，郭彬，亓宗磊，李艷君

(濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)客車乘坐舒適性提出了更高的要求。噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度(Noise，Vibration & Harshness， NVH)成為整車性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。低頻轟鳴是客車研發(fā)中常見的NVH問題，常常導(dǎo)致乘客頭疼、焦慮甚至惡心、嘔吐等不適感，因此成為客車研究開發(fā)階段極力避免的現(xiàn)象[1-2]。

本文作者以某主機(jī)廠新配套客車為研究對(duì)象，基于聲振測(cè)試、頻譜分析對(duì)怠速轟鳴現(xiàn)象進(jìn)行研究，確定轟鳴噪聲由空調(diào)壓縮機(jī)激勵(lì)頻率與車內(nèi)聲腔模態(tài)耦合頻率引起。通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)、加強(qiáng)空調(diào)壓縮機(jī)支架剛度提升其固有頻率避免共振，削弱了車內(nèi)聲振耦合作用，改善了車內(nèi)轟鳴噪聲。研究成果為解決客車轟鳴噪聲現(xiàn)象提供了可借鑒方法，縮短研發(fā)周期，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用。

1 噪聲源識(shí)別

1.1 客車轟鳴現(xiàn)象

某主機(jī)廠新配套客車(如圖1所示)車內(nèi)存在明顯怠速轟鳴、壓耳朵現(xiàn)象。依據(jù)GB/T 25982-2010《客車車內(nèi)噪聲限值及測(cè)量方法》對(duì)客車進(jìn)行振動(dòng)、噪聲試驗(yàn)，A計(jì)權(quán)噪聲值為64.99 dB(A)，高于噪聲標(biāo)準(zhǔn)58 dB(A)，不滿足要求。

圖1 某客車照片

為消除客車怠速轟鳴現(xiàn)象，滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)，提高乘坐舒適度，需要確定噪聲源位置并對(duì)聲源、振動(dòng)傳播路徑進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 噪聲源識(shí)別

根據(jù)頻譜分析法來確定噪聲源、噪聲頻率。

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)：動(dòng)力總成隔振前后、車內(nèi)座椅(駕駛員、前、中、后排)處、空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)、車架等。

噪聲測(cè)點(diǎn)：駕駛員耳旁、前、中、后排。

試驗(yàn)工況：定置情況下，對(duì)客車進(jìn)行熄火、怠速、從怠速緩慢上升到最高空車轉(zhuǎn)速3種工況下的振動(dòng)、噪聲試驗(yàn)(如圖2、圖3所示)。

圖2 空調(diào)張緊輪支架振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

圖3 駕駛員座椅噪聲測(cè)點(diǎn)

此客車搭載六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作噪聲機(jī)制，由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的諧波階次頻率如式(1)[3-4]所示

(1)

式中：f為發(fā)動(dòng)機(jī)諧波階次頻率，Hz；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；r為發(fā)動(dòng)機(jī)諧波階次。

圖4為怠速工況下，客車駕駛員耳旁噪聲頻譜圖。

圖4 駕駛員耳旁噪聲頻譜圖

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速700 r/min，主激勵(lì)頻率35 Hz(發(fā)動(dòng)機(jī)3諧次)，由圖4可知，車內(nèi)轟鳴主要存在于70 Hz處，恰好為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速主激勵(lì)頻率的2倍(發(fā)動(dòng)機(jī)6諧次)。

如圖5所示，在動(dòng)力總成隔振后測(cè)點(diǎn)存在70 Hz的共振，與轟鳴頻率一致。而70 Hz對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值，動(dòng)力總成隔振前測(cè)點(diǎn)要小于隔振后測(cè)點(diǎn)，因此造成70 Hz轟鳴的共振與發(fā)動(dòng)機(jī)無關(guān)，推斷其來自車架、空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)或者風(fēng)扇系統(tǒng)的附件。

為了進(jìn)一步確定噪聲源，對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)扇系統(tǒng)、消聲器等進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。

圖5 自由端懸置ColorMap圖

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)壓縮機(jī)張緊輪支架上存在70 Hz較大共振(如圖6所示)，振動(dòng)幅值達(dá)到38 mm/s，因此判斷空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)固有頻率為70 Hz左右。怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)6諧次激勵(lì)頻率亦為70 Hz，由此造成空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)共振，振動(dòng)通過車架傳遞到車內(nèi)，又造成車內(nèi)的聲腔共振耦合，產(chǎn)生轟鳴[5]。

圖6 空調(diào)張緊輪支架ColorMap圖

通過以上分析可以確定，空調(diào)張緊輪支架為主要激勵(lì)源。

2 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

2.1 改進(jìn)措施

為消除客車怠速轟鳴噪聲，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該首先消除70 Hz噪聲頻率。改進(jìn)方向主要從發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)、空調(diào)張緊輪支架及車架這3個(gè)方面進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源、傳播路徑的有效控制，改進(jìn)措施(見圖7—圖9)主要為：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)自由端懸置由楔形支撐改為45°斜置支撐；同時(shí)，隔振軟墊剛度由750 N/mm降低到550 N/mm，提高懸置系統(tǒng)隔振性能。

(2)取消飛輪端懸置之間的連接，變速箱端由單點(diǎn)支撐改為兩點(diǎn)支撐，加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝處車架剛度。

(3) 增大空調(diào)張緊輪支架固定螺栓的擰緊力矩，提高空調(diào)張緊輪支架剛度，提升其固有頻率。

圖7 自由端&飛輪端支架改進(jìn)

圖8 輔助支架改進(jìn)

圖9 空調(diào)張緊輪支架改進(jìn)

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)完成的客車進(jìn)行車內(nèi)振動(dòng)、噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)條件、方法與原車相同。

對(duì)比整改前后空調(diào)張緊輪支架振動(dòng)數(shù)據(jù)可知，整改后空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)的固有頻率提高到73 Hz(如圖10所示)，避開了發(fā)動(dòng)機(jī)6階激勵(lì)頻率70 Hz，且振動(dòng)幅值減小，同時(shí)傳遞到車內(nèi)的振動(dòng)減小。噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，車內(nèi)轟鳴噪聲得到改善，A計(jì)權(quán)噪聲55.84 dB(A)，聲壓級(jí)降低了9.15 dB(A)，駕駛員耳旁噪聲滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，怠速轟鳴現(xiàn)象消失。

圖10 空調(diào)張緊輪支架ColorMap圖

圖11 改進(jìn)前后駕駛員耳旁噪聲值

試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)客車的改進(jìn)措施是有效的，不但消除了怠速轟鳴噪聲，還降低了A計(jì)權(quán)噪聲，滿足國家噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

針對(duì)某主機(jī)廠配套客車所出現(xiàn)的怠速轟鳴噪聲現(xiàn)象，利用西門子公司的LMS.Testlab模塊，對(duì)客車進(jìn)行NVH試驗(yàn)，確定了主要噪聲源為空調(diào)張緊輪支架。通過優(yōu)化懸置系統(tǒng)、提高空調(diào)張緊輪支架固有頻率等措施來消除轟鳴噪聲，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)張緊輪支架源頭上的噪聲控制，降噪效果達(dá)到9.15 dB(A)，為消除轟鳴噪聲現(xiàn)象提供了可借鑒的解決思路。