某乘用車加速行駛車內(nèi)噪聲問題診斷與優(yōu)化研究

許京 鄧建交 姜雪 馮婧婷 張強(qiáng)

摘 ?要：在某乘用車的研發(fā)階段，通過主觀評價(jià)，其存在加速工況下車內(nèi)轟鳴噪聲問題，使用整車虛擬仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行問題分析和診斷優(yōu)化。首先，建立整車有限元分析模型，進(jìn)行模型校驗(yàn)，使用基于模態(tài)的頻響分析方法在整車模型中復(fù)現(xiàn)整車加速噪聲問題。然后使用問題診斷分析方法，對加速噪聲峰值頻率處響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析和傳遞路徑分析，識別對加速噪聲影響較大的主要傳遞路徑和車身區(qū)域。對懸置支架和車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過整車模型分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后整車加速噪聲問題明顯改進(jìn)。利用整車虛擬分析方法能快速實(shí)現(xiàn)問題診斷和設(shè)計(jì)優(yōu)化，極大地提高問題解決效率，實(shí)現(xiàn)整車NVH性能正向開發(fā)。

關(guān)鍵字：整車虛擬仿真;加速噪聲;問題診斷

中圖分類號：U461.4 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）01-0076-05

Research on Diagnosis and Optimization of Interior Noise of a Passenger Car During Acceleration

Xu Jing1，2， Deng Jian-jiao1，2， Jiang Xue1，2， Feng Jing-ting1，2， ?Zhang Qiang1，2

（1.China FAW Group Co.，Ltd. Changchun 130011， China; 2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control. Changchun 130011， China）

Abstract： In the development stage of a passenger car， through subjective evaluation， it has a problem of interior booming noise under acceleration condition. A method of combining virtual simulation and test is used for problem analysis and diagnosis optimization. First， establish a finite element analysis model of the entire vehicle and perform model verification. The modal-based frequency response analysis method is used to reproduce the acceleration noise problem in the vehicle model. Then use the diagnosis analysis method to analyze the contribution of nodes and paths at the peak frequency of the acceleration noise， and identify the main paths and body areas that have a greater impact on acceleration noise. With the improvement of the mount bracket and body structure， through vehicle model analysis and test verification， the acceleration noise problem was significantly reduced after optimization. Using the vehicle virtual simulation can quickly realize problem diagnosis and design optimization， greatly improve the problem solving efficiency， and realize the positive development of vehicle NVH performance.

Key Words： Whole-Vehicle Simulation; Acceleration Noise; Problem Diagnosis Analysis

1 ? ?問題描述

NVH是整車感知質(zhì)量的重要評價(jià)指標(biāo)之一，隨著乘客對車輛駕駛體驗(yàn)的需求日益增加，對整車NVH性能開發(fā)逐漸趨于精細(xì)化，為了縮短整車開發(fā)流程，越來越多的使用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的策略來分析和解決問題[1]。

整車是一個復(fù)雜的包含了多個子系統(tǒng)的多輸入、多輸出系統(tǒng)，對于NVH問題分析常用的簡化模型是“源-傳遞路徑-響應(yīng)”模型[2]。加速轟鳴問題是一種常見的NVH問題，主要頻率范圍集中在中、低頻率段，用戶感知到的車內(nèi)噪聲成分主要為結(jié)構(gòu)傳遞的噪聲。就整車加速噪聲CAE而言，“源”主要為動力總成產(chǎn)生的振動激勵，不考慮路面激勵和風(fēng)激勵?！皞鬟f路徑”主要為分為結(jié)構(gòu)傳遞路徑，動力總成激勵經(jīng)由懸架隔振系統(tǒng)傳遞到車身側(cè)，激勵起車身鈑金的振動，與車內(nèi)空氣聲腔形成流固耦合效應(yīng)，向車內(nèi)傳遞噪聲?！绊憫?yīng)”為車內(nèi)耳旁噪聲測點(diǎn)，代表NVH客戶感知指標(biāo)。有限元理論具有其局限性，其適用于計(jì)算200Hz以下的低頻振動噪聲，對于中、高頻段，整體模態(tài)密度會急劇增加，通常采用統(tǒng)計(jì)能量法進(jìn)行分析。

本文以某車型加速行駛過程中，在高轉(zhuǎn)速車內(nèi)噪聲大問題開展研究，通過加速行駛噪聲試驗(yàn)主觀評價(jià)，車內(nèi)乘員感受到轟鳴噪聲過大，有壓耳感。對此現(xiàn)象進(jìn)行客觀測試，該工況下噪聲聲壓級曲線如圖1所示，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min-5000r/min之間時，車內(nèi)二階加速噪聲明顯超出目標(biāo)值。

2 ? ?整車加速噪聲有限元分析方法

2.1 ? 整車模型建模

為了在車型開發(fā)階段盡早的預(yù)研車內(nèi)噪聲水平、進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估與解決，使用整車虛擬分析的方法進(jìn)行研究。搭建整車虛擬平臺的總體思路是由總成級到整車級，整車模型是由車身、底盤、動力總成組成，各個總成又包含各子系統(tǒng)有限元模型，各子系統(tǒng)之間建立連接關(guān)系，比如使用自由度關(guān)系模擬萬向節(jié)和球鉸鏈接，使用MPC模擬齒輪傳動關(guān)系，使用彈性屬性（pbush或pbusht）模擬隔振元件。同時，根據(jù)整車項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)顟B(tài)和分析工況，快速進(jìn)行部件的裝配與替換、動力總成檔位切換、隔振元件工作點(diǎn)剛度的模擬等。目前，整車虛擬模型精度與試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，能進(jìn)行問題復(fù)現(xiàn)和方案擇優(yōu)。

2.2 ? 整車模型校驗(yàn)

對各個子模型分別進(jìn)行校驗(yàn)，包括全飾車身模型、聲腔模型、動力總成模型、傳動系模型、前/后懸架模型、輪胎模型等，本研究所參照的整車各個子模型校驗(yàn)項(xiàng)如表1所示：

2.3 ? 整車加速噪聲有限元分析

在各子模型滿足質(zhì)量、慣量、模態(tài)和傳遞函數(shù)等精度要求的前提下，在NVHD軟件中建立整車模型，整車有限元模型如圖2所示，使用整車虛擬模型進(jìn)行針對加速噪聲問題進(jìn)行趨勢預(yù)測。

整車加速行駛時，主要結(jié)構(gòu)激勵是由動力總成產(chǎn)生的，振動通過懸置向車內(nèi)傳遞。對于四缸發(fā)動機(jī)，激勵的主體成分是發(fā)動機(jī)二階激勵，提取懸置被動端加速度，結(jié)合懸置被動端測點(diǎn)到車內(nèi)噪聲響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)，通過傳遞函數(shù)逆矩陣方法計(jì)算得出頻域下懸置被動端激勵力和相位，以此作為整車模型的輸入激勵。

整車虛擬分析主要采用基于模態(tài)的頻響分析方法，計(jì)算車內(nèi)噪聲響應(yīng)。分析頻率范圍根據(jù)階次激勵頻率范圍確定，對應(yīng)于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1511-5452r/min區(qū)間，動力總成二階激勵下分析頻率范圍為41-171Hz，4階激勵下分析頻率范圍為101-363Hz，結(jié)構(gòu)模態(tài)的計(jì)算頻率上限取分析頻率上限的1.5倍，聲腔模態(tài)的計(jì)算頻率上限取分析頻率上限的3倍。整車前后排主階次噪聲如圖3所示。通過加速工況司機(jī)外耳噪聲與試驗(yàn)結(jié)果對比，整車虛擬有限元模型能在趨勢上較好的吻合試驗(yàn)值，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的有效性。

3 ? ?整車加速噪聲問題診斷

3.1整車加速噪聲機(jī)理分析

對于全油門加速工況高轉(zhuǎn)速噪聲大的問題進(jìn)行問題初步排查，使用NVH專業(yè)常用的“源-傳遞路徑-響應(yīng)”分析方法，主要影響因素如圖4所示，初步判斷高轉(zhuǎn)速噪聲大，是由于發(fā)動機(jī)本體振動大，經(jīng)后懸置、排氣吊掛傳遞到車身，激起車身結(jié)構(gòu)的局部模態(tài)后輻射到車內(nèi)引起。對于NVH問題的解決通常有以下三種方式：

（1）控制噪聲源，降低對系統(tǒng)的激勵力的輸入。

（2）通過隔振、吸振等方式，削弱路徑傳遞。

（3）優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，降低車內(nèi)噪聲響應(yīng)。

3.2 ? 傳遞路徑診斷分析

傳遞路徑分析方法能識別結(jié)構(gòu)激勵源通過連接點(diǎn)到響應(yīng)點(diǎn)的全部路徑，根據(jù)所關(guān)注的頻率將路徑貢獻(xiàn)進(jìn)行排序，以確定對噪聲響應(yīng)影響最大的關(guān)鍵路徑和關(guān)鍵頻率[3-4]。將整車看做一個線性系統(tǒng)，如圖5所示，車內(nèi)噪聲響應(yīng)可以表示為：Pt=∑pathsPi=∑paths（Hi×Fi）。其中：發(fā)動機(jī)激勵有xyz三個分量，經(jīng)由多個傳遞路徑到響應(yīng)點(diǎn)，Hi代表各個路徑的傳遞函數(shù)，F(xiàn)i代表各個路徑的激勵，各個路徑上兩者乘積的求和即為聲壓響應(yīng)Pt。

以整車加速工況車內(nèi)噪聲為例，主要的結(jié)構(gòu)激勵為動力總成，動力總成激勵的結(jié)構(gòu)傳遞路徑主要是經(jīng)由懸置連接點(diǎn)、副車架連接點(diǎn)、減振器連接點(diǎn)、傳動軸連接點(diǎn)和排氣吊掛等傳遞到車身。

圖5 加速噪聲傳遞路徑分析示意圖

整車加速行駛時，主要激勵源為動力總成往復(fù)慣性力和慣性力矩，通過在發(fā)動機(jī)第三軸承座分別施加6個自由度方向的激勵力和曲軸轉(zhuǎn)動方向的激勵力矩，計(jì)算動力總成到車身連接點(diǎn)的噪聲傳遞路徑。結(jié)果如圖6和圖7所示，在激勵力和激勵力矩分別作用下，主要噪聲路徑皆為動力總成后懸置與車身連接點(diǎn)。

3.3 ? 貢獻(xiàn)量分析

當(dāng)車身傳遞函數(shù)對車內(nèi)噪聲靈敏度較高時，可以使用節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析方法識別出對車內(nèi)噪聲影響較大的關(guān)鍵零部件，尋求最經(jīng)濟(jì)、有效的解決方案[5]。節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析是一種快速、有效的整車問題診斷方法，應(yīng)用該方法將車內(nèi)聲腔作為控制體，能夠識別出聲固耦合界面上對峰值頻率的聲學(xué)響應(yīng)有顯著貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)區(qū)域，通過降低此區(qū)域的結(jié)構(gòu)振動即可降低響應(yīng)點(diǎn)聲壓，通常的方法是對此區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。為解決整車開發(fā)過程中的NVH問題提供更有針對性的優(yōu)化方向。

針對整車加速噪聲147Hz峰值處進(jìn)行節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析，節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果如圖8所示，紅色區(qū)域?qū)τ陧憫?yīng)點(diǎn)聲壓有正貢獻(xiàn)的區(qū)域，即使聲壓響應(yīng)增加，NVH性能變差。由對駕駛員外耳響應(yīng)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析可得出，車身后地板是對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)較大的關(guān)鍵區(qū)域。

4 ? ?整車加速噪聲問題優(yōu)化

通過對整車模型的TPA分析，后懸置與車身連接點(diǎn)為主要路徑貢獻(xiàn)點(diǎn)，針對后懸置區(qū)域提出優(yōu)化方案。對加速過程中的主要路徑后懸置支架進(jìn)行優(yōu)化，采用短機(jī)加后懸置支架，提升局部剛度，如圖9所示。后懸置支架優(yōu)化前后的效果如圖10所示，優(yōu)化后，在140Hz以上能普遍降低車內(nèi)噪聲聲壓級，峰值處最大改善4dB（A）。通過整車加速試驗(yàn)驗(yàn)證，頻譜圖和3D彩圖分別見圖11和圖12。短機(jī)加后懸置支架對4000r/min以上二階噪聲改善明顯，并在4600r/min附近改善5dB（A）。

對于整車節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析結(jié)果，對后地板區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化方案即在后地板左、右縱梁處各增加兩個2kg的質(zhì)量塊，如圖13所示。以改變車身后地板處局部模態(tài)，達(dá)到移頻的效果，降低車內(nèi)噪聲響應(yīng)，如圖14所示。通過整車加速試驗(yàn)驗(yàn)證，頻譜圖和colormap圖分別見圖15和圖16。3800r/min以上2階改善明顯，峰值處降低5dB（A），總值降低2dB（A）。

5 ? ?結(jié)語

本文通過整車虛擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對整車加速噪聲問題進(jìn)行問題分解和診斷優(yōu)化。

（1）通過整車各個子模型標(biāo)定和整車模型的標(biāo)定，整車虛擬仿真的方法能對整車加速NVH問題進(jìn)行較好的模擬，仿真精度能夠滿足NVH問題分析和解決的要求。

（2）通過對整車模型加速問題頻率下的TPA分析和貢獻(xiàn)量分析，快速識別主要影響因素，提出2種優(yōu)化方案，使用CAE與整車測試方法分別進(jìn)行驗(yàn)證，最終驗(yàn)證方案的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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王 ? 彥

東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院CAE

及NHV技術(shù)首席設(shè)計(jì)師 ?研究員級高級工程師

針對乘用車加速行駛車內(nèi)轟鳴聲問題，整車虛擬仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)行整車傳遞路徑分析和貢獻(xiàn)量分析，快速識別主要影響因素，提出2種優(yōu)化方案，問題改善較好。