某SUV車內(nèi)低頻轟鳴聲問題分析與優(yōu)化

吳文棟 馬紫輝 劉志恩 趙紅飛

摘要：以某車型車內(nèi)轟鳴聲為例，分別從激勵(lì)源、響應(yīng)點(diǎn)和傳遞路徑3個(gè)角度進(jìn)行分析，得出轟鳴聲由傳動(dòng)系統(tǒng)扭振激勵(lì)，通過車身與尾門的連接，使激勵(lì)頻率與尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)強(qiáng)耦合，最終通過優(yōu)化尾門與車身的連接，對(duì)尾門板件加槽鋼，內(nèi)外板問增加支撐螺栓，改善了車內(nèi)低頻轟鳴聲，為快速解決汽車車內(nèi)低頻轟鳴聲問題提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：車輛振動(dòng)與噪聲;低頻轟鳴聲;尾門;模態(tài)

中圖分類號(hào)：U467.493DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.012

0引言

車輛噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）即NVH在駕乘舒適性中成為關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，各大汽車生產(chǎn)商及相關(guān)零部件供應(yīng)商均加大對(duì)NVH的研發(fā)，汽車噪聲包括發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、風(fēng)噪、子系統(tǒng)異響等，而轟鳴聲是經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一，車內(nèi)的低頻轟鳴聲會(huì)給駕乘者帶來主觀上明顯的壓耳感，從而引起焦躁不安的情緒甚至頭暈惡心的身體反應(yīng)。

國(guó)外對(duì)于振動(dòng)噪聲問題的關(guān)注相對(duì)較早，1966年，Gladwell等首次將有限元運(yùn)用于噪聲問題的計(jì)算，2002年，Lee等搭建了車架一發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的有限元模型，最終優(yōu)化懸架剛度等參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車身的激勵(lì)明顯減小，有效降低了車內(nèi)低頻噪聲，Jalili使用半主動(dòng)控制方法成功減低了低頻噪聲，2011年，Shung等將車身結(jié)構(gòu)與聲腔有限元模型進(jìn)行耦合，研究了路面和傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)，計(jì)算了聲壓峰值的模態(tài)參與因子后，針對(duì)性的對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，在針對(duì)汽車噪聲優(yōu)化方法中，主要有兩種，一是對(duì)車身表面進(jìn)行阻尼處理，二是直接改進(jìn)車板件結(jié)構(gòu)，兩種方法均在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，吉利大學(xué)趙榮寶等嘲較早地對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行了研究，他們概括了聲一固耦合的理論方法，指出添加吸聲材料對(duì)降低低頻噪聲的效果不理想，主要是由于車內(nèi)主要噪聲為車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)向車內(nèi)輻射的低頻噪聲，重慶大學(xué)施磊使用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)噪聲問題進(jìn)行了深入研究，求出了聲一固耦合模型在發(fā)動(dòng)機(jī)、路面、傳動(dòng)系統(tǒng)等激勵(lì)下的聲學(xué)響應(yīng)，通過分析，有針對(duì)性地對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，江蘇大學(xué)吳楨等分析發(fā)現(xiàn)頂棚是引起噪聲的主要板件，對(duì)頂棚加阻尼達(dá)到了降低噪聲的目的。

現(xiàn)有的研究中，主要是基于仿真來進(jìn)行噪聲問題的排查和解決，基于試驗(yàn)、系統(tǒng)性且快速查找到引起噪聲因素的研究較少，針對(duì)車內(nèi)噪聲問題，通過系統(tǒng)性分析，均能解決振動(dòng)噪聲問題，車內(nèi)加速低頻轟鳴聲是整車NVH性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文對(duì)某自主SUV在開發(fā)過程中出現(xiàn)的加速轟鳴聲過大問題進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)與分析，按照激勵(lì)源、響應(yīng)分析、傳遞路徑分析思路進(jìn)行了問題的排查確認(rèn)，對(duì)噪聲問題進(jìn)行系統(tǒng)性分析，提高了效率。

1尾門引起的轟鳴聲

1.1尾門轟鳴聲產(chǎn)生機(jī)理

車輛乘坐室的壁板筋是由鋼板沖壓焊接而成，具有自身結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)，空氣作為彈性體在乘坐室封閉的空腔體內(nèi)會(huì)形成許多振動(dòng)模態(tài)和聲腔模態(tài)，當(dāng)腔體內(nèi)的空氣受到壓縮時(shí)，會(huì)發(fā)生體積變化，與乘坐室壁板的結(jié)構(gòu)振動(dòng)在低頻范圍內(nèi)有很強(qiáng)的耦合作用，這種低頻的耦合模態(tài)在激勵(lì)力下如果響應(yīng)很大，便會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動(dòng)，引起駕乘人員的不舒適感，這種現(xiàn)象被稱為轟鳴聲（boomjng），轟鳴聲為低頻噪聲，按照激勵(lì)種類可分為：動(dòng)力總成產(chǎn)生的轟鳴聲，主要集中在25～200Hz，對(duì)于常用的直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)二階不平衡量引起車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)與腔體模態(tài)耦合產(chǎn)生的，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，排氣系統(tǒng)轟鳴聲，由排氣管道中不穩(wěn)定的氣流對(duì)管道產(chǎn)生沖擊引發(fā)排氣系統(tǒng)共振產(chǎn)生。

轟鳴聲產(chǎn)生的因素有：激勵(lì)源、乘坐室壁板結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲以及車內(nèi)空腔聲腔模態(tài)與車身壁板振動(dòng)模態(tài)耦合一般，車內(nèi)低頻噪聲主要是由于車身板件振動(dòng)向車內(nèi)輻射的結(jié)構(gòu)噪聲，傳遞路徑主要是車身板件等固體板件;因此，對(duì)低頻段噪聲的控制，可以對(duì)汽車板件振動(dòng)進(jìn)行針對(duì)性控制，從而有效控制車內(nèi)的低頻噪聲，尾門轟鳴聲的產(chǎn)生，主要由于其模態(tài)被激起導(dǎo)致，當(dāng)尾門相鄰模態(tài)較接近或者激勵(lì)源頻率及別的子系統(tǒng)頻率與尾門模態(tài)頻率相近時(shí)，尾門模態(tài)就較容易被激勵(lì)起來，使其產(chǎn)生共振，進(jìn)而產(chǎn)生輻射噪聲。

1.3尾門轟鳴聲優(yōu)化方案

對(duì)尾門NVH問題的查找，一般可通過增加質(zhì)量、阻尼及尾門板件剛度前后的噪聲振動(dòng)數(shù)據(jù)來對(duì)比驗(yàn)證，由在任意坐標(biāo)下的響應(yīng)式（9）可知，要使尾門模態(tài)解耦，可以從尾門剛度、質(zhì)量和阻尼入手。

目前常用調(diào)整尾門模態(tài)的方法，主要有以下幾種：

1）增加剛度：在尾門內(nèi)側(cè)增加板金或者支撐梁，使其模態(tài)增加;

2）增加阻尼：在尾門模態(tài)振動(dòng)峰值的板金處增加阻尼，使其共振峰值減低，衰減其振動(dòng)響應(yīng);

3）增加動(dòng)力吸振器：動(dòng)力吸振器的頻率與尾門模態(tài)頻率相近，使其振動(dòng)峰值由一個(gè)較大峰值變成兩個(gè)較小峰值，從而減低尾門產(chǎn)生的噪聲;

4）增加質(zhì)量：在尾門關(guān)鍵位置上增加質(zhì)量，有利于尾門模態(tài)的降低，

上述4種方法可以綜合運(yùn)用，更加利于尾門問題的排查及尾門的優(yōu)化，

2某SUV低頻轟鳴聲問題分析與優(yōu)化

2.1問題描述

某SUV（Sport Utility Vehicle）車型在3檔全油門工況加速至1150r/min附近時(shí)，駕駛員內(nèi)耳數(shù)據(jù)如圖1所示，車內(nèi)產(chǎn)生明顯的低頻轟鳴聲，從而使駕乘人員產(chǎn)生頭暈惡心等感覺，主觀上無法接受。

2.2問題排查

如前文所述，該低頻轟鳴聲問題主要從激勵(lì)源、傳遞路徑、響應(yīng)3個(gè)角度進(jìn)行分析。

2.2.1激勵(lì)源分析

汽車轟鳴聲激勵(lì)源主要包括動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和路面-輪胎激勵(lì)，對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的排查，可通過排查進(jìn)排氣及監(jiān)控懸置系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)確認(rèn);傳動(dòng)系統(tǒng)、路面及輪胎的激勵(lì)，需監(jiān)控懸架系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

1）進(jìn)排氣系統(tǒng)排查

因進(jìn)排氣系統(tǒng)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，分別對(duì)斷開排氣吊耳和進(jìn)氣安裝點(diǎn)、屏蔽尾管噪聲、屏蔽進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)對(duì)該峰值影響不大，說明激勵(lì)源不在進(jìn)排氣系統(tǒng)上。

2）懸置及輪心排查動(dòng)力系統(tǒng)和路面與輪胎激勵(lì)主要是通過懸置及輪心懸架傳遞到車內(nèi)，現(xiàn)對(duì)懸置及輪心進(jìn)行排查。

在對(duì)懸置及輪心進(jìn)行排查的過程中，發(fā)現(xiàn)左、右、后懸置被動(dòng)側(cè)在1150r/min附近都存在峰值，但是懸置主動(dòng)側(cè)卻沒有峰值，說明該峰值與懸置無關(guān)，如圖2所示，而左前輪心和右前輪心振動(dòng)數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)速為1150r/min附近均存在峰值，且與發(fā)動(dòng)機(jī)2階次相關(guān)，故排除路面一輪胎激勵(lì)，如圖3和圖4所示，由此確認(rèn)轟鳴聲激勵(lì)源為傳動(dòng)系統(tǒng)扭振激勵(lì)。

2.2.2響應(yīng)分析

在車內(nèi)前排布置麥克風(fēng)，工況為三檔全油門工況進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集分析，得出轉(zhuǎn)速在1150r/min附近產(chǎn)生的噪聲峰值為發(fā)動(dòng)機(jī)2階引起，測(cè)試結(jié)果如圖1所示，根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系：

參考同一平臺(tái)的項(xiàng)目車型，車身板件模態(tài)頻率范圍在34-50Hz之間，故對(duì)車身板件進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)頻率為38.6Hz，如圖5所示，而后綜合排查白車身的各個(gè)模態(tài)發(fā)現(xiàn)，在42.6Hz處尾門框產(chǎn)生菱形變形模態(tài)，如圖6所示。

兩者模態(tài)頻率相差較近，依據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，存在共振的風(fēng)險(xiǎn)，

由于該車型車內(nèi)聲腔模態(tài)頻率大于50Hz，故排除車內(nèi)聲腔模態(tài)與尾門模態(tài)聲固耦合產(chǎn)生共振而發(fā)出的噪聲，所以車聲響應(yīng)點(diǎn)為尾門內(nèi)板，初步分析認(rèn)為尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)與傳動(dòng)系統(tǒng)扭振激勵(lì)模態(tài)耦合，而尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)頻率38.6Hz與尾門框菱形變形模態(tài)頻率42.6Hz相差較近，有耦合的可能，使尾門響應(yīng)被進(jìn)一步放大，進(jìn)而產(chǎn)生輻射噪聲。

2.2.3傳遞路徑分析

由于尾門是通過有鉸鏈與車身連接，并通過彈性緩沖塊及門鎖固定在車身上，限制其位移，故其傳遞路徑經(jīng)過鉸鏈、緩沖塊及門鎖處。

現(xiàn)分別對(duì)尾門鉸鏈安裝點(diǎn)、限位塊以及鎖扣安裝點(diǎn)振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)控對(duì)比三處的振動(dòng)大小，可確認(rèn)主要的傳遞路徑，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，鎖扣及限位塊安裝點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為1150r/min附近存在較大的振動(dòng)峰值。

為確保傳遞路徑的準(zhǔn)確性，需對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行進(jìn)一步確定認(rèn)證，分別拆除鎖扣及限位塊驗(yàn)證其對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)拆除鎖扣或限位塊后，車內(nèi)噪聲峰值在1150r/min時(shí)都有明顯下降，如圖8所示，從而確認(rèn)尾門鎖扣及限位塊為主要傳遞路徑，

2.3問題確認(rèn)

由于尾門框結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)已經(jīng)鎖定，更改成本較高，現(xiàn)主要從尾門響應(yīng)點(diǎn)角度進(jìn)行確認(rèn)及優(yōu)化，為準(zhǔn)確確認(rèn)響應(yīng)點(diǎn)問題，需快速改變尾門模態(tài)來確認(rèn)認(rèn)證，因需快速確認(rèn)響應(yīng)點(diǎn)問題，對(duì)尾門板件響應(yīng)較大的地方加質(zhì)量塊進(jìn)行快速驗(yàn)證，效果如圖9和圖10所示，通過對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：加2個(gè)質(zhì)量塊（每個(gè)質(zhì)量塊重3.75kg）基本可以消除該峰值。

由圖10結(jié)果驗(yàn)證該車產(chǎn)生的低頻轟鳴聲為尾門內(nèi)板模態(tài)在問題車速下激烈振動(dòng)而產(chǎn)生的輻射噪聲，

綜上，通過對(duì)低頻轟鳴聲在激烈源、響應(yīng)點(diǎn)分析和傳遞路徑分析得出：該低頻轟鳴聲由傳動(dòng)系統(tǒng)扭振激勵(lì)，通過輪心懸架系統(tǒng)傳遞到車身，再由車身通過鎖扣和限位塊傳遞給尾門，使傳動(dòng)系統(tǒng)扭振激勵(lì)頻率38.3Hz與尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)頻率38.6Hz耦合，使尾門產(chǎn)生激烈振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生輻射噪聲，即低頻轟鳴聲，

2.4方案優(yōu)化

結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)際，考慮到后期更改激勵(lì)源即傳動(dòng)系統(tǒng)一般比較棘手，故主要從傳遞路徑和響應(yīng)點(diǎn)兩方面進(jìn)行考慮，針對(duì)傳遞路徑的優(yōu)化，優(yōu)化方案為通過調(diào)軟限位塊及橡膠塊來降低傳遞到尾門上的激勵(lì)力;針對(duì)尾門響應(yīng)，由前文所述，改進(jìn)方向有：增加質(zhì)量、剛度或動(dòng)力吸振器，綜合考慮成本、輕量化和方案實(shí)施難易程度，首選方案為在尾門呼吸模態(tài)響應(yīng)處增加槽鋼以及內(nèi)外板間增加支撐螺栓以增加尾門剛度，降低尾門的響應(yīng)，同時(shí)也增大尾門模態(tài)頻率值，為快速確認(rèn)方案的可行性，對(duì)尾門加槽鋼前后狀態(tài)用HyperWorks軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖11、圖12所示，由原狀態(tài)尾門實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率38.6Hz與仿真模態(tài)頻率40.41Hz對(duì)比相差在5%以內(nèi)，說明模型搭建的準(zhǔn)確性;由表1得出，通過優(yōu)化方案，尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)頻率可提高到44.25Hz，與激勵(lì)源扭振模態(tài)頻率38.3Hz實(shí)現(xiàn)解耦。

緊接著進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，通過在尾門玻璃下側(cè)內(nèi)板焊一條尾門內(nèi)板輪廓貼合的槽鋼，并且在內(nèi)外板間增加兩支撐螺栓，提高尾門剛度和模態(tài)，降低尾門的響應(yīng)，由模態(tài)仿真分析得出，尾門加槽鋼后，尾門模態(tài)頻率增加了3.84Hz，說明優(yōu)化措施即模態(tài)的增加主要由尾門剛度提高引起，如圖13所示，

由圖14可以看出，優(yōu)化后的方案相比于原狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1150r/min附近，車內(nèi)總聲壓級(jí)改善了4dB（A），發(fā)動(dòng)機(jī)2階次改善了5.5dB（A），優(yōu)化效果顯著，方案可行，低頻轟鳴聲主觀上可接受，由此可以確認(rèn)該低頻轟鳴聲為激勵(lì)頻率與尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)頻率耦合導(dǎo)致。一旦改進(jìn)尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)，使內(nèi)板呼吸模態(tài)頻率提高到44.25Hz，轟鳴聲降低了4dB，說明尾門內(nèi)板呼吸模態(tài)與激勵(lì)源強(qiáng)相關(guān)，而尾門門框菱形變形模態(tài)與激勵(lì)源弱相關(guān)，故其對(duì)轟鳴聲的影響相對(duì)較弱，可忽略不計(jì)。

3結(jié)論

針對(duì)某SUV加速工況車內(nèi)低頻轟鳴聲問題，結(jié)合傳遞路徑分析，通過激勵(lì)源、傳遞路徑、響應(yīng)點(diǎn)三方面查找問題并提出有效的整改方案，并得到以下結(jié)論：

1）提出了一種快速解決車內(nèi)低頻轟鳴問題的思路，即激勵(lì)源、響應(yīng)分析和傳遞路徑分析互相結(jié)合的分析方法，提高了效率。

2）實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)合運(yùn)用，可快速驗(yàn)證方案的可行性，

3）通過使尾門剛度加強(qiáng)，使尾門與激勵(lì)源解耦，同時(shí)降低尾門振動(dòng)響應(yīng)，獲得了一種由尾門引起車內(nèi)低頻轟鳴聲的優(yōu)化方案。

4）對(duì)尾門引起的車內(nèi)低頻轟鳴聲有一定的指導(dǎo)意義，

5）未對(duì)激勵(lì)源即傳動(dòng)系扭振進(jìn)行深入分析，下一步可對(duì)傳動(dòng)系扭振進(jìn)行深入研究，從激勵(lì)源根源處解決加速低頻轟鳴聲問題。