基于逆矩阵法的整车路噪仿真研究

王昱昕　陈馨蕊　贾新建　成传胜

摘 要：搭建了某SUV的整车模型，通过采集粗糙路面下转向节加速度响应和仿真得到的轮心到测试点的传函，应用逆矩阵法提取轮心载荷，进行了路噪性能的预测。仿真的路噪结果与测试结果基本一致，表明该方法精度较高，可以用于项目前期的路噪性能预测和优化。

关键词：整车；逆矩阵法；路噪

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）13-0057-02

1 概述

在人们的消费水平日益增长的同时，对于车的要求也愈加苛刻。如今，NVH性能作为汽车乘坐舒适性的关键因素，它给用户的感受是最直接和最表面的，已成为评判汽车“品质”的重要依据之一。路噪是指道路激励噪声（Road Noise），即由于轮胎受粗糙路面的激励，直接（空气声）或由底盘间接（固体声）传递到车厢内部的噪声[1]。路面不平度激励引起的振动是车辆所不可避免的，作为车身振动现象的频率为5Hz～60Hz左右，以车身板件为主产生的振动噪声在30Hz～300Hz的低、中频范围内，这是路面激励引起车内结构噪声的主要频率段，也是顾客容易感受到的频率段。因此如果能采用CAE技术，在设计阶段就预测出车内的噪声水平，准确快速提出优化方案，进行风险规避，对提高汽车产品的竞争力具有十分重要的意义。

目前整车路噪性能的预测主要有两种方法。（1）建立模态轮胎，以路面不平度为输入进行路噪计算[2]；（2）不考虑轮胎系统，以轴头处的激励力为输入进行路噪计算[3]。轮胎是一个非线性很强的结构，由于无法获取建立模态轮胎模型需要详细的轮胎内部结构和材料参数，本文将采用方法二，通过“试验”和“仿真”相结合的方法，基于实车采集的转向节加速度响应和仿真得到的轮心到测试点的传函，提取轮心力，進行特定工况下的整车路噪仿真分析及优化。

2 路噪仿真分析方法简介

整车路噪的仿真流程如下图1所示。

这套仿真方法将轮心力作为激励源，得到整车在路面激励下的车内噪声响应。在特定的粗糙路面下测量物理样车转向节位置的振动信号，由整车有限元模型计算得到轮心到振动测点位置的力-加速度传递函数，通过传递函数逆矩阵法间接得到轮心力。将四个轮子的轮心力同时施加在整车有限元模型上，即可得到整车路噪。该方法的优势在于：（1）规避了轮胎高度非线性的影响，提高了仿真的准确度；（2）将悬架系统加入整车路噪的分析及优化过程中，提供更多的优化途径；（3）路噪分析的频率一般可达250Hz，如果有限元模型的精度较高，频率也可以拓展到500Hz。

3 整车路噪仿真解决方案

本文选取某款小型SUV预测其整车路噪性能。

3.1 整车模型搭建及检查

整车模型共分为Trimmed body、Cavity、Steering System、Powertrain、Suspension五个部分。搭建好整车模型之后，进行整车模态计算，对模型进行初步的检查及调试，检查车身连接是否完整，检查底盘运动关系是否正确。如图2所示，关注一些典型的整车模态结果，如转向系统的操纵模态、垂向、横向模态，悬架系统的HOP、TRAMP模态，动力总成的刚体模态等。从模态分析结果中可以看出，发动机刚体模态相对其他车型略高；转向系统操控模态低于5Hz，运动关系表现正常；前、后悬架模态13～17Hz，分布正常。车身各连接无误，底盘系统的运动关系正确，整车模型的质量满足整车计算的精度要求，可以用于后续路噪分析的求解。

3.2 轮心载荷提取

轮心载荷是通过采集实车转向节上的加速度信号，结合仿真分析得到的轮心传递函数矩阵Hs，利用逆矩阵法反求得到。轮心载荷提取的基本试验要求如下：

（1）路面类型：粗糙路面；（2）环境条件：试验应在无雨、雪、冰雹等恶劣天气下进行，背景噪声应至少小于被测噪声10dB；（3）车辆条件：试验车辆满足整车技术要求；各总成、部件、附件及附属装置（包括随车工具和备胎）应按规定装备齐全，装在规定的位置上，并固定牢靠；（4）车速及档位条件：档位应选择能稳定工作的次高档，试验车速为50Km/h。转向节的振动传感器布置图3所示。

选择驾驶员右耳作为车内响应点，如图4所示。

计算从各轮心每个自由度（X，Y，Z，RX，RY，RZ）到转向节测点及车内响应点的传递函数，每个轮心6个工况，共24个工况。根据传递函数和测试得到的振动信号，计算出每个轮心的载荷。

3.3 整车路噪响应分析

将提取的轮心载荷施加在整车模型上，计算出粗糙路面下的整车路噪结果，并与实验结果对比，如图5所示。前排驾驶员右耳噪声响应仿真结果与测试结果对比，峰值和趋势接近，仿真中在40Hz出现一个波峰，而测试中未出现；在86Hz处仿真和实验结果均出现一个噪声峰值，可作为路噪优化的方向。

经分析得知，40Hz的峰值主要是由于背门的整体模态引起，可以进一步检查模型中背门的配重，调整密封条、缓冲块和锁扣的刚度，与实验测试的背门模态值对标。

4 结语

规避了高度非线性的轮胎部件，采用试验与仿真结合的方式，通过转向节加速度和轮心到测试点的传函，利用逆矩阵法求取粗糙路面下的轮心载荷，该方法可以获得中低频范围内较为准确的轮心载荷，提高了仿真的准确度。路噪的仿真和测试结果对比，峰值与趋势接近，吻合程度较高，平均误差不超过5dB，表明该方法精度较高，可以用于项目开发阶段的路噪目标设定、性能预测、问题诊断、结构优化等，为项目研发节约大量的成本。

参考文献

[1]余雄鹰，刘波，张军，等.路面激励导致的汽车低频轰鸣声控制及应用研究[C].2015中国汽车工程学会年会论文集，2015，（4）：1825-1827.

[2]Kido， I.， Ueyama， S.， Hashioka， M.， etc. Tire and Road Input Modeling for Low-Frequency Road Noise Prediction[J].SAE Int. J. Passeng.Cars-Mech. Syst.2011，（2）：1277-1282.

[3]Park， J.， Gu， P.， Juan， J.， etc. Operational Spindle Load Estimation Methodology for Road NVH Applications[J].SAE Technical Paper，2001，（01）：1606.