基于中國工況的輕型汽車車外噪聲測量方法研究

曹麗娟，胡 熙，彭偉強(qiáng)，謝東明，許天楚，劉 昱

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

汽車工況是汽車行業(yè)重要的研究和檢測基礎(chǔ)，“中國工況”項(xiàng)目已開展多年，目前已覆蓋41個(gè)代表性城市、包含五千余輛車的采集車隊(duì)，覆蓋傳統(tǒng)乘用車、新能源汽車，采集了車輛運(yùn)動特征、動力特征和環(huán)境特征數(shù)據(jù)[1]。可以說中國工況數(shù)據(jù)采集范圍覆蓋我國主要城市和地區(qū)，覆蓋不同道路類型和行駛條件，采集車輛覆蓋各車輛類型。項(xiàng)目組基于數(shù)據(jù)，建立了多種用途的原始數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫、工況構(gòu)建數(shù)據(jù)庫等中國汽車實(shí)際行駛工況數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)分析，最終確定了中國輕型車工況（CLTC），包含輕型乘用車工況（CLTC-P）和輕型商用車工況（CLTC-C）。基于中國工況項(xiàng)目研究成果，中國在2019年發(fā)布了GB/T38146.1－2019《中國汽車行駛工況第1 部分輕型汽車》[2]，對輕型汽車的行駛工況進(jìn)行清晰界定，覆蓋不同車速、不同油門開度等多種工況，其工況循環(huán)特征數(shù)據(jù)為汽車行業(yè)的其他研究做了最基礎(chǔ)的鋪墊。

現(xiàn)行的GB1495－2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》是我國管控汽車車外噪聲的國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求對于M1、N1類汽車考察2、3擋全油門加速行駛工況的噪聲水平，該測試方法即方法A 實(shí)際上是測量汽車極端工況下的噪聲水平[3–4]。然而，根據(jù)中國工況統(tǒng)計(jì)結(jié)果，日常駕駛時(shí)全油門工況很少，該方法的擋位選擇及油門開度均與車輛實(shí)際行駛工況存在較大差異，無法準(zhǔn)確反映汽車在實(shí)際道路上的噪聲水平，也沒有覆蓋汽車的多種駕駛工況，故無法真正推動解決道路交通噪聲問題。近年來我國持續(xù)關(guān)注ISO362－1:2007《道路車輛加速行駛噪聲測量方法工程法第一部分：M、N 類車輛》及相應(yīng)的聯(lián)合國噪聲法規(guī)UN Regulation No.51新測量方法（方法B）[5–7]，其新修訂的測量方法對車輛在50 km/h及對應(yīng)90百分位加速度情況下的噪聲水平進(jìn)行評價(jià)，但是實(shí)際上該方法仍然只關(guān)注單一工況下的噪聲水平，無法全面反映車輛在實(shí)際道路上各種工況下的噪聲水平。

顯而易見對噪聲的有效管控需要與汽車實(shí)際駕駛工況相結(jié)合，從多種工況入手，故有必要基于中國工況開展能夠反映實(shí)際道路噪聲水平的多工況車外噪聲測量方法試驗(yàn)方案研究。

1 多工況噪聲

中國工況中的數(shù)據(jù)采集包括汽車的GPS 信息(車速和位置)、動力總成信息(轉(zhuǎn)速和扭矩等)、環(huán)境信息(溫度、大氣壓力等)，這使得在噪聲測量工況的研究中研究如車速、擋位等相關(guān)參數(shù)成為可能。

通過對GB/T38146.1－2019中的工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，中國汽車實(shí)際車速分布相比于ISO 更為分散，如圖1所示。車速在30 km/h～70 km/h的運(yùn)行里程內(nèi)比較集中，就運(yùn)行時(shí)間而言，70 km/h 以下時(shí)間更長。相比于現(xiàn)行GB1495－2002 關(guān)注的全油門極端工況，中國工況的車速分布、時(shí)間分布均是真實(shí)駕駛情況的反映，是日常生活中常用的汽車工況。相比于ISO362－1:2007 中的50 km/h 工況點(diǎn)，雖然中國實(shí)際道路工況整體上具有車速分散但分區(qū)集中的特點(diǎn)[8]。

圖1 中國輕型汽車車速分布

圖2 和圖3 所示為中國輕型乘用車和商用車車速分布情況，其中低速、中速和高速分別對應(yīng)GB/T38146 的1 部、2 部和3 部，由圖可見我國車速整體偏低。

圖2 中國工況中CLTC-P車速分布情況

圖3 中國工況中CLTC-C車速分布情況

起步、加速、勻速工況能夠覆蓋汽車整個(gè)駕駛過程中的不同駕駛行為。汽車起步階段踩踏油門后噪聲容易飆升，造成瞬間的噪聲污染，故起步噪聲應(yīng)為汽車多工況噪聲的一部分。而駕駛過程中加速工況較多，加速過程中汽車輪胎噪聲、氣流噪聲增大，故需對加速噪聲進(jìn)行管控。根據(jù)對中國工況中加速、減速、勻速工況的比例統(tǒng)計(jì)，結(jié)合圖1 至圖3 所示的車速分布可知，以70 km/h車速為分界點(diǎn)，在70 km/h以下加速工況為主要的駕駛工況，時(shí)間比例為35%左右，故加速工況下車速應(yīng)不超過70 km/h。高速公路工況的噪聲是日常較嚴(yán)重的干擾噪聲，汽車在高速主要區(qū)間勻速行駛時(shí)，結(jié)合圖1 至圖3 可知，70 km/h 以上勻速時(shí)間比例約為63 %左右，故在70 km/h以上關(guān)注汽車的勻速噪聲。

基于起步、加速、勻速工況構(gòu)造的噪聲測量方法即為多工況噪聲測量方法，能夠考察不同駕駛工況的噪聲水平，為噪聲管控提供更全面的方法支持。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)場地

測量場區(qū)尺寸及傳聲器布置如圖4所示。其中傳聲器離地高度應(yīng)為1.2 m±0.02 m。

圖4 測量場地及測量區(qū)的布置

說明：

ls——加速連接段；

la——最小標(biāo)準(zhǔn)測量試驗(yàn)行駛車道延伸長度。

2.2 起步工況

起步工況即汽車由靜止啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾旭偁顟B(tài)，表1 是中國工況中所采集的相關(guān)車型在車輛典型起步過程中起步升2 擋前的關(guān)鍵參數(shù)特征，起步過程中車速不超過30 km/h，在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)以50%位分?jǐn)?shù)作為統(tǒng)計(jì)下限，以99 %位分?jǐn)?shù)作為統(tǒng)計(jì)上限。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)起步車速不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速與是否換擋關(guān)系較大，易受駕駛員影響?？傮w上起步距離在15 m以上。

表1 起步過程關(guān)鍵參數(shù)分布

2.3 加速工況

根據(jù)圖1 至圖3，除去起步階段，加速工況車速范圍主要是在30 km/h～70 km/h內(nèi)。加速工況下車速跨度大，需要通過轉(zhuǎn)速、擋位、車速等關(guān)鍵參數(shù)確定加速工況，為了實(shí)現(xiàn)對加速工況的全覆蓋，試驗(yàn)車速應(yīng)至少包含端點(diǎn)值30 km/h 和70 km/h，在此范圍內(nèi)應(yīng)再確定一個(gè)工況點(diǎn)，但是速度中值仍存在不確定性，該工況點(diǎn)既需要考慮實(shí)際駕駛常用車速，還應(yīng)考慮到不同車速時(shí)的噪聲水平。從圖1 至圖3 可以看出40 km/h、50 km/h 的里程比例和時(shí)間比例高于60 km/h，故對40 km/h、50 km/h 車速點(diǎn)進(jìn)行對比研究。試驗(yàn)過程中的噪聲值、入線車速Vaa、出線車速Vbb、轉(zhuǎn)速、加速度如表2至表3所示。

表2 3擋加速時(shí)噪聲

表3 5擋加速時(shí)噪聲

表2至表3對應(yīng)車型總擋位數(shù)為6擋，分別對40 km/h 和50 km/h 進(jìn)行對比研究。由表可知50 km/h對應(yīng)的噪聲值明顯高于40 km/h對應(yīng)的噪聲水平，40 km/h時(shí)的噪聲特性與50 km/h相比，擋位、轉(zhuǎn)速等均無明顯差異，且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)40 km/h時(shí)僅輪胎噪聲略有降低，所以無降速至40 km/h 的必要，可直接以50 km/h 作為加速噪聲測量的速度中值。所以加速噪聲的多工況噪聲車速點(diǎn)結(jié)合中國工況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可為30 km/h、50 km/h、70 km/h。

圖5 至圖7 是總擋位數(shù)分別為5、6、8 時(shí)的車輛加速工況的擋位分布情況，顯然不同車速下的擋位分布與汽車總擋位數(shù)相關(guān)。

圖5 5擋車加速工況擋位分布

圖6 6擋車加速工況擋位分布

圖7 8擋車加速工況擋位分布

2.4 勻速工況

高速勻速工況噪聲中輪胎噪聲仍是主要噪聲源。在不同油門開度下的加速噪聲試驗(yàn)中通過限制扭矩的方式可以基本達(dá)到減小并穩(wěn)定加速度的目的。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)車速區(qū)間的覆蓋，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)在高速區(qū)域應(yīng)設(shè)置勻速工況。勻速工況下車速主要在80 km/h 以上，從圖2 和圖3 看出輕型乘用車高速區(qū)間更寬，在80 km/h～120 km/h的范圍內(nèi)，車速里程、時(shí)間分布比例都很均勻。輕型商用車最高車速為100 km/h，但很明顯在80 km/h～90 km/h 的里程比例和時(shí)間比例均較高。

根據(jù)輕型汽車勻速行駛時(shí)噪聲源分布及考慮到對GB 1495的補(bǔ)充性，以及不同車型的動力性特征，輕型乘用車車速建議為：80 km/h、110 km/h；輕型商用車車速建議為80 km/h、90 km/h，其中90 km/h 和110 km/h 是基于中國工況統(tǒng)計(jì)的高概率速度點(diǎn)，該車速條件能夠?qū)崿F(xiàn)對城區(qū)快速路工況（80 km/h）及高速公路工況的覆蓋。

3 工況設(shè)計(jì)

量化設(shè)計(jì)能保證噪聲測量方法的唯一性，在多工況噪聲測量中，控制汽車的車速、擋位、轉(zhuǎn)速等能保證測量方法的重復(fù)性和測量結(jié)果的一致性。通過對試驗(yàn)條件的研究可知，起步、加速、勻速工況下試驗(yàn)車輛轉(zhuǎn)速均應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速的80%以下，且各車型均可滿足此條件。

3.1 起步工況

進(jìn)行起步工況試驗(yàn)時(shí)，按照圖4所示場地，應(yīng)將汽車參考點(diǎn)設(shè)置在PP′線前5 m處，并在該位置啟動汽車并開始試驗(yàn)，汽車啟動后應(yīng)盡可能均勻踩下加速踏板，直到汽車參考點(diǎn)通過PP′后5 m時(shí)再盡快松開踏板并結(jié)束試驗(yàn)，所有車型都能夠在試驗(yàn)距離內(nèi)保持起步工況，進(jìn)行起步噪聲試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用1 擋進(jìn)行起步，并維持在1擋。

3.2 加速工況

加速工況試驗(yàn)中車速分別為30 km/h、50 km/h、70 km/h，試驗(yàn)時(shí)允許30 km/h、50 km/h有±1 km/h的偏差，70 km/h 有±2 km/h 的偏差。對于加速工況的擋位，根據(jù)圖5 至圖7 及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果研究，試驗(yàn)車速30 km/h、50 km/h、70 km/h 對應(yīng)的擋位分布滿足一定的規(guī)律，經(jīng)驗(yàn)公式如表4 所示。但是個(gè)別試驗(yàn)擋位還需要根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。擋位計(jì)算結(jié)果不是整數(shù)時(shí)，對于不同車型，計(jì)算結(jié)果向上還是向下圓整情況不同。

表4 擋位分布經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)表4 選擇相對應(yīng)的擋位，測量過程中允許汽車換入更低、加速度更大的擋位，但不允許換入更高、加速度更小的擋位（汽車參考點(diǎn)通過BB′線后除外），汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)確定參考點(diǎn)接近AA′線之前踩下加速踏板的預(yù)加速位置點(diǎn)。當(dāng)汽車參考點(diǎn)到達(dá)AA′線時(shí)開始測量，并應(yīng)盡可能均勻踩下加速踏板，直到汽車參考點(diǎn)通過BB′線時(shí)再盡快松開加速踏板，結(jié)束測量。

3.3 勻速工況

進(jìn)行勻速工況試驗(yàn)時(shí)輕型乘用車工況點(diǎn)為80 km/h、110 km/h；輕型商用車工況點(diǎn)為80 km/h、90 km/h，試驗(yàn)時(shí)允許車速有±2 km/h的偏差。試驗(yàn)車輛應(yīng)處于可穩(wěn)定行駛的最高擋位，試驗(yàn)車輛從進(jìn)入AA′線至最后端通過BB′線應(yīng)保持勻速行駛。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)的工況，對起步、加速、勻速工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。記錄試驗(yàn)車輛每次通過測量區(qū)的最大聲壓級，同側(cè)兩次最大聲壓級差值應(yīng)不大于2 dB（A），對每一側(cè)兩次最大聲壓級進(jìn)行算術(shù)平均，取兩側(cè)平均值中較大值作為最終結(jié)果。表5所示起步噪聲驗(yàn)證結(jié)果為64.7 dB(A)，轉(zhuǎn)速未超過額定轉(zhuǎn)速的80%，擋位在試驗(yàn)過程中保持在1擋。

表5 起步噪聲試驗(yàn)結(jié)果

表6 是額定轉(zhuǎn)速為5 500 r/min 時(shí)某6 擋車的加速工況點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果，車速均為50 km/h，擋位選擇分別為3 擋和4 擋，與表4 擋位分布經(jīng)驗(yàn)公式對應(yīng)，兩種擋位下結(jié)果差別并不顯著。

表6 加速噪聲試驗(yàn)結(jié)果

表7 是額定轉(zhuǎn)速為5 500 r/min 時(shí)某6 擋車勻速工況點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果，試驗(yàn)車輛從進(jìn)入AA′線至最后端通過BB′ 線，在試驗(yàn)中能夠保證車速穩(wěn)定在80 km/h±2 km/h，擋位在6擋時(shí)車輛能夠穩(wěn)定行駛。

表7 勻速噪聲試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

結(jié)合中國工況調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)分析及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，開展輕型汽車車外噪聲測量方法研究，提出輕型汽車起步、加速、勻速工況的多工況噪聲測量方法，并對所提出的測量方法進(jìn)行論證，得出以下結(jié)論：

（1）基于中國工況調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的輕型汽車車外噪聲測量方法相比于單一工況的測量方法，更能反映實(shí)際駕駛工況下汽車的噪聲水平。

（2）汽車多工況可包含起步、加速、勻速工況，對應(yīng)各工況提出噪聲測量方法更具針對性。

（3）起步噪聲的試驗(yàn)工況不確定性較大，在制定相關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需考慮該工況的不穩(wěn)定性。

（4）加速噪聲試驗(yàn)中車速所對應(yīng)實(shí)際擋位與經(jīng)驗(yàn)公式的擬合結(jié)果存在差異，在制定相關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需考慮擋位經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)際情況的差異性及其適用性。

（5）起步噪聲、加速噪聲測量方法的研究中還應(yīng)進(jìn)一步考慮轉(zhuǎn)速，以便獲得更好的測量重復(fù)性。