某乘用車排氣系統(tǒng)異響噪聲分析和方案優(yōu)化

王盼

（柳州市華創(chuàng)汽車設(shè)計(jì)有限公司，柳州 545007）

前言

隨著汽車的快速發(fā)展，汽車的NVH問(wèn)題愈發(fā)受到關(guān)注，用戶對(duì)汽車的舒適性要求提高[1]。排氣作為燃油車的主要噪聲源，是排氣系統(tǒng)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)降低和控制排氣噪聲的有效途徑[2-4]。某乘用車在怠速P、N、D檔工況下，在車內(nèi)存在明顯的“嗚嗚”異常噪聲，即所謂的異響，其中D檔（踩剎車）最為明顯。該異常噪聲極大的降低了該車的聲品質(zhì)，在同階段、同配置的其它樣車也出現(xiàn)了該問(wèn)題，易讓客戶認(rèn)為該車存在設(shè)計(jì)和質(zhì)量問(wèn)題[5]，極大的影響了該車型的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在汽車噪聲振動(dòng)測(cè)試中常用的設(shè)備有傳聲器、聲級(jí)計(jì)、振動(dòng)傳感器、頻譜分析儀和聲強(qiáng)分析儀等。常用的噪聲源識(shí)別方法有：頻譜分析法[6,7]、聲全息、傳遞路徑分析法、仿真等，其中頻譜分析用來(lái)分析噪聲的頻率構(gòu)成特征。本文針對(duì)某乘用車的排氣系統(tǒng)產(chǎn)生的異響噪聲，從改變聲源結(jié)構(gòu)與錯(cuò)頻方面，提出了吊鉤前移與排氣系統(tǒng)管壁減薄方案，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與實(shí)車驗(yàn)證，有效的解決“嗚嗚聲”異響。

1 排氣系統(tǒng)異響聲源確認(rèn)與分析

1.1 排氣系統(tǒng)異響聲源確認(rèn)

在怠速D檔工況，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)推測(cè)異響聲來(lái)自排氣系統(tǒng)，在地溝下通過(guò)聽(tīng)診器對(duì)排氣系統(tǒng)各部件逐一確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)排氣系統(tǒng)前消聲器吊鉤處的表現(xiàn)與車內(nèi)主觀聽(tīng)到的“嗚嗚聲”一致，且吊鉤處的振動(dòng)較大。在吊鉤端面布置三向振動(dòng)傳感器，在車內(nèi)駕駛員右耳布置麥克風(fēng)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，駕駛員右耳處聲壓與排氣系統(tǒng)前消聲器吊鉤主動(dòng)端振動(dòng)頻譜圖如圖1所示。

從圖1可以看出除了在發(fā)動(dòng)機(jī)2、4、6階頻率吊鉤處振動(dòng)與車內(nèi)聲壓對(duì)應(yīng)外，在183 Hz存在明顯的峰值，且吊鉤的Y向振動(dòng)貢獻(xiàn)最大。從圖2可以看出駕駛員右耳處在183 Hz的能量最大。

圖1 駕駛員右耳噪聲與吊鉤主動(dòng)端振動(dòng)頻譜

圖2 駕駛員右耳處噪聲坎貝爾圖

將吊鉤與車身之間的橡膠吊耳取消，即切斷吊鉤與車身之間的連接，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)“嗚嗚聲”異響消失。

1.2 排氣系統(tǒng)異響聲問(wèn)題分析

排氣系統(tǒng)一端與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，另一端則通過(guò)吊耳與車身相連[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳遞到排氣系統(tǒng)，然后通過(guò)吊耳傳遞到車身，最后傳遞到乘客。排氣系統(tǒng)的振動(dòng)分析涉及：模態(tài)分析、動(dòng)力分析與傳遞通道的靈敏度分析。

首先在吊鉤處與車身端布置振動(dòng)傳感器，測(cè)試其在此工況下的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)吊耳的隔振率大于20 dB，滿足隔振要求。將吊耳換成上限與下限橡膠硬度的試樣，發(fā)現(xiàn)對(duì)于車內(nèi)的異響無(wú)改善。

對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在前消聲器附近存在183 Hz的模態(tài)，其振型表現(xiàn)為Y向擺動(dòng)。此模態(tài)與出現(xiàn)“嗚嗚聲”異響的頻率對(duì)應(yīng)，由此確認(rèn)車內(nèi)的響聲為排氣系統(tǒng)前消聲器附件模態(tài)共振引起。部件的共振加大了吊鉤的振動(dòng)，產(chǎn)生輻射聲，傳遞到車內(nèi)乘客。

2 排氣系統(tǒng)整改與驗(yàn)證

由上可知，車內(nèi)在D檔怠速下的異響聲為模態(tài)共振引起，解決方案是：①提高吊鉤剛度或改變吊鉤結(jié)構(gòu)；②將排氣系統(tǒng)的183 Hz模態(tài)轉(zhuǎn)移，將其遠(yuǎn)離183 Hz。

2.1吊鉤整改與驗(yàn)證

吊鉤為直接的異響聲源，其位置位于183 Hz模態(tài)振型處。將排氣側(cè)前消聲器上的吊鉤位置往前移，如圖4所示，同時(shí)為了與車身側(cè)的吊鉤位置相匹配，將排氣側(cè)的吊鉤加上，以便安裝吊耳。

圖4 吊鉤移動(dòng)后的位置

對(duì)吊鉤整改后的狀態(tài)在D檔工況下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，可以看到在183 Hz處的聲壓級(jí)低了約19.64 dB（A）。在車內(nèi)對(duì)怠速P、N、D檔工況進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，無(wú)“嗚嗚聲”異響，狀態(tài)接受。

圖3 排氣系統(tǒng)模態(tài)

圖5 吊鉤位置整改前后駕駛員右耳處聲壓級(jí)

2.2排氣系統(tǒng)管路壁厚整改與驗(yàn)證

考慮到吊鉤位置的整改對(duì)后期模具以及制造工藝的改動(dòng)較大，擬對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)的管路壁厚進(jìn)行減薄，前后消聲器的壁厚不變，由目前的1.2 mm改至1 mm。

為了解管壁減薄的影響，看其是否能避頻5 Hz左右，采用hypermesh對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用nastran有限元工具對(duì)該排氣系統(tǒng)管壁減薄前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)分析如圖6所示，左圖是原狀態(tài)為186.5 Hz，右圖是減薄后的狀態(tài)為171.8 Hz，相差15.3 Hz，同時(shí)可以看到減薄后的狀態(tài)在前消聲器附近無(wú)明顯的振型。

圖6 排氣系統(tǒng)管壁減薄前后的模態(tài)結(jié)果

對(duì)此方案制作管路減薄的樣件，在D檔工況下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，在183 Hz處聲壓級(jí)降低14.46 dB(A)。在車內(nèi)對(duì)怠速P、N、D檔工況進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，無(wú)“嗚嗚聲”異響，狀態(tài)接受。同時(shí)管壁減薄可降低排氣系統(tǒng)的質(zhì)量，有利于車輛的輕量化。

圖7 排氣系統(tǒng)管壁減薄前后的駕駛員右耳處聲壓級(jí)

為了評(píng)估此狀態(tài)對(duì)整車的影響，對(duì)排氣系統(tǒng)管壁減薄前后的狀態(tài)進(jìn)行3檔全油門測(cè)試，結(jié)果如圖8、圖9所示；3檔全油門加速工況下，管壁減薄方案的駕駛員處聲壓總級(jí)優(yōu)于原狀態(tài)，管壁減薄方案的后排聲壓總級(jí)優(yōu)于原狀態(tài)，對(duì)4階噪聲改善較大。

圖8 3檔全油門排氣系統(tǒng)管壁減薄前后駕駛員右耳處聲壓級(jí)

圖9 3檔全油門排氣系統(tǒng)管壁減薄前后后排聲壓級(jí)

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某乘用車怠速時(shí)產(chǎn)生的“嗚嗚聲”異響，綜合運(yùn)用聽(tīng)診器、消去法以及頻譜分析技術(shù)，鎖定了異響聲源為排氣系統(tǒng)共振引起，共振頻率為183 Hz，前消聲器處的吊鉤振動(dòng)由于共振放大，產(chǎn)生輻射噪聲。通過(guò)分析和驗(yàn)證，對(duì)排氣系統(tǒng)前消聲器的吊鉤進(jìn)行移動(dòng)，避開(kāi)共振位置；對(duì)排氣系統(tǒng)的管壁減薄，進(jìn)行錯(cuò)頻，最終選擇了管壁減薄方案，降低了183 Hz的聲壓級(jí)，“嗚嗚聲”異響得到解決，提高了整車NVH品質(zhì)。