基于排气系统和车身优化的汽车加速NVH性能提升

严旺，石月奎，税永波，胡志强，席智伦，毛楠杰



基于排气系统和车身优化的汽车加速NVH性能提升

严旺1，石月奎2，税永波3，胡志强1，席智伦1，毛楠杰1

（1.西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300；3.重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520）

针对某SUV车型在3档WOT工况车内排气噪声及轰鸣声的问题，分别从空气噪声与结构噪声两方面对其排气系统和车身进行了问题排查，随后优化了消声器的低频消声能力并增强了三号吊钩车身端局部动刚度，最后通过试验验证了优化方案的可行性。

排气噪声；轰鸣声；排气系统；吊钩车身端；优化

前言

伴随着现代化社会品质的提升，消费者对汽车各项性能要求日益增多且越渐严苛。汽车动力性、操控性或者经济性及其它性能提升的同时， NVH性能也受到了更多人的关注，所以提升车辆NVH性能对全面提升车型品质和增加市场竞争力有着重要的意义[1]，同时也对当今的环境具有友好的贡献[2]。

本文重点针对某SUV的排气系统和车身系统进行优化改进，消除车内加速工况车内轰鸣声、降低排气噪声，提升NVH性能。

1 问题背景

该车辆在3档全油门加速过程中，车内后排乘客主观感觉3000rpm以下排气噪声明显，且发动机转速在3200rpm附近时，车内存在严重轰鸣声，对车内声品质和舒适度的影响较大[3]。根据经验，初步怀疑该车辆在发动机中低转速区间排气管口噪声过大，且排气系统或车身结构在3200rpm附近存在共振点。

2 振动与噪声摸底试验

根据主观听觉判断，排气管口噪声是加速工况车内后排噪声较高的主要噪声源，这与排气消声器的消声能力有关系。此外，3200rpm轰鸣声暂时无法初步判定成因。

鉴于主观感受上的排气噪声问题，需进行排气系统的全面摸底，从结构和声学的角度，对其进行疑似问题分析。为了解当前排气系统相关性能的状况，对整车加速工况振动噪声水平进行了摸底，测试了包括车内噪声、排气管口噪声、排气吊钩主被动侧振动加速度的多种数据。

图2 传感器布置示意图

从图3及图4中WOT车内噪声可以看出车内后排噪声总级除3200rpm附近有峰值外，总体线性度较好。测试表明，3200rpm峰值与主观感受相符合，主要是由于四阶噪声存在明显峰值；3000rpm以下后排噪声过大主要因为其二阶噪声较高，与总级噪声差值不高于5dB，在此转速区间内，排气管口二阶噪声同样较高，与总级相差仅5dB左右，导致总级中二阶成分较高，特别是在2000rpm左右容易引起主观不舒适[4]。上述分析表明，排气二阶噪声对车内二阶噪声影响较大，经判断，其根本问题在于消声器100Hz以内的消声能力不足。

图3 加速工况车内后排噪声

排气系统对车内噪声的影响，一方面通过排气噪声的辐射；另一方面排气系统振动向车内传递的结构噪声也不能忽视。

排查发现除三号（吊钩按车身从前到后，从左到右的顺序编号）吊钩Y方向3000rpm附近隔振较差之外，排气系统其它各个悬挂点吊耳各方向隔振率较好，均保持在20dB左右[5]。图5为三号吊耳加速工况主被动端振动总级dB曲线（主被动之差为隔振率）。五个吊耳同样采用45硬度橡胶，且1/2/4/5号四个吊耳均无隔振问题，因此三号吊耳被动端可能存在其它结构性问题。图6为车内后排噪声与三号吊钩被动端加速工况对比，可以发现车内后排四阶噪声峰值与三号吊钩车身端四阶振动峰值吻合。

图5 3档WOT工况排气系统三号吊钩主被动端加速度

图6 加速工况后排噪声与排气三号吊耳被动端加速度

（红色为噪声总级；绿色为噪声四阶；蓝色为振动总级；粉色为振动四阶）

图7 三号吊耳车身端Y向NTF及原点VTF

对车身系统进行排查，如图7所示，为三号吊钩被动端Y向车内噪声传递函数NTF及原点振动传递函数VTF，从测试结果可以看出，三号吊钩被动端Y向原点动刚度仅为300N/mm左右，不满足目标500N/mm，车身端吊钩动刚度不足，极易引发车内噪声问题[6]，该点至车内后排NTF在211Hz附近达到70dB(Pa/N)以上，超出目标值65dB(Pa/N)，此频率与3200rpm四阶频率吻合。

综上，当前车辆加速工况车内噪声问题主要由两大原因形成：

（1）消声器低频消声能力不足；

（2）排气三号吊钩车身端动刚度不足。

3 加速工况噪声优化

3.1 消声器内部结构优化

消声器传递损失是评价消声器声学性能的重要指标[7]，这里应用GT-power软件建立了问题消声器消声器模型，且仿真分析其传递损失性能。

图8 原消声器模型

从图9可以看出该消声器在100Hz以下的低频段消声能力确实不足，也因此造成加速3000rpm以下排气噪声过大。因此需对该消声器进行内部结构改进。

具体改进思路为：将第3腔设计为赫姆霍兹共振腔[8]，主要针对2000rpm左右频带内的2阶噪声，在第1个隔板和进气管上穿小孔，进一步加强低频消声能力。

图9 原消声器传递损失

图10 改进后的消声器模型

图11对比了改进前后的消声器的传递损失。改进后的传递损失在100Hz以内甚至250Hz以内有较明显的提升，尤其在66Hz处（对应2000rpm2阶频率），改善显著。

图11 消声器传递损失优化前后对比

3.2 排气吊钩被动端动刚度提升

三号吊钩被动端动刚度不足，主要是由于其焊接刚度不够，如图12所示，将其手工焊接加强后，其共振频率移动上升到在254Hz处，动刚度达到1000N/mm，优化效果显著，同时其NTF曲线在该频率处也明显降低。

图12 三号吊钩被动端焊接加强

图13 三号吊耳车身端Y向NTF及原点VTF优化前后对比

4 试验验证

按照消声器改进方案制作样件装车并通过手工焊接加强三号吊钩车身端动刚度后，再次进行主观评价和客观测试，主观感觉3档WOT过程中已无明显轰鸣声，后排主观感受排气噪声也明显降低。

图14 加速工况车内后排噪声优化前后对比

图14为3档WOT的车内后排噪声优化前后对比，可看出，优化后的噪声曲线在3200rpm附近已没有波峰；图15为排气口噪声优化前后对比，优化后，排气管口二阶噪声大幅度降低。

图15 加速工况排气口噪声优化前后对比

5 结论

为提升车辆加速工况的NVH性能，通过增加赫姆霍兹共振腔和对隔板与进口管穿小孔，实现消声器内部结构优化，降低了排气管口加速工况二阶噪声，提升了车内后排主观感受；焊接加强了三号吊钩车身端动刚度，以抑制排气系统振动经此往车内的传递形成噪声，从而消除了3200rpm附近车内的轰鸣声。车辆加速过程NVH类似NVH问题，可参考本文内容进行排查和整改。

[1] 冷川,李军.汽车NVH性能研究综述[J].汽车工业研究,2017(11): 51-55.

[2] 李英强.基于模态综合的汽车结构优化研究[D].重庆大学,2012.

[3] 徐宇.地铁开通对公交的影响及公交车辆设计优化研究[D].西安:长安大学,2014.

[4] 刘志恩,赵楠楠,侯献军,袁守利.轿车车内噪声声品质改进研究[J].噪声与振动控制,2011,31(05):45-48+70.

[5] 刘诗嘉,胡习之,李岩.排气系统吊耳隔振率实验分析[J].机械设计与制造工程,2017,46(02):96-98.

[6] 常光宝,梁静强,吕俊成,李书阳.基于动刚度的车内降噪研究[J].汽车零部件,2016(07):22-24.

[7] 华敏相.汽车排气消声器性能分析与改进[D].镇江:江苏大学, 2017.

[8] 刘文文.赫姆霍兹消声器的消声性能研究[D].哈尔滨工业大学, 2010.

Improvement of vehicle NVH Performance under WOT condition Based onExhaust and Body System Optimization

Yan Wang1, Shi Yuekui2, Shui Yongbo3, Hu Zhiqiang1, Xi Zhilun1, Mao Nanjie1

( 1.Southwest Jiaotong University, Sichuan Chengdu 610031; 2.CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd, Tianjin 300300; 3.Chongqing Technology & Business Institute, Chongqing 401520 )

For the problem of exhaust noise and roar inside of a SUV under the 3rd gear WOT conditions, The exhaust system and body system of the vehicle were investigated Separately from the two aspects of airborn and structure noise, the noise elimination ability At low frequencies of the muffler is optimized and the IPI of the 3rd hook on body is enhanced thereby, finally the effectiveness of the optimization is verified by experiment.

exhaust noise; roar; exhaust system; hook on body; optimize

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.055

U467.4+9

A

1671-7988(2019)10-159-04

U467.4+9

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1671-7988(2019)10-159-04

严旺，硕士，就读于西南交通大学机械工程学院，研究方向：汽车振动与噪声。