汽车怠速工况下NVH性能衰减分析

李珊，徐传燕，许春晓，宫勋，孟丽雪

1.山东交通学院 汽车工程学院，山东 济南 250357; 2.山东超链智能科技有限公司，山东 济南 250101

0 引言

汽车发展初期，顾客购车时仅考虑新车性能，对行驶一定里程后的性能关注度较低，因此大多数主机厂在设计汽车时，只将新车性能作为主要设计指标[1-2]。随着汽车市场竞争加剧，高里程噪声、振动与声振粗糙度(noise,vibration,harshness，NVH)性能逐渐成为顾客选购汽车的主要考虑因素之一，随之主机厂也将高里程NVH性能作为新车设计指标[3-4]。汽车NVH性能是指汽车在驾乘过程中，驾乘人员感受到的噪声、振动与声振粗糙度，噪声主要指驾乘人员听到的车内噪声，振动主要是驾乘人员感受到来自方向盘和座椅的振动，声振粗糙度主要指噪声与振动的品质，是驾乘人员对振动和噪声的主观感受[5-8]。NVH性能主要体现在汽车对噪声和振动的控制能力上，NVH性能下降通常会带来方向盘和座椅振动、驾乘人员耳旁噪声大、乘坐舒适性下降、汽车零部件的强度和寿命降低等问题[9]。随着行驶里程的增加，汽车会出现不同程度的橡胶老化、运动零部件磨损、减振元件性能下降等现象，从而影响NVH性能[10-11]。为了使汽车行驶一定里程后仍能为驾乘人员提供舒适的乘坐环境，研究汽车高里程NVH性能衰减特性极为重要。刘鸿伟等[12]通过50 000 km耐久性试验和车内噪声测试研究某运动型多用途汽车(sport utility vehicle,SUV)匀速工况下车内噪声变化特性。吴昌威等[13]对整车NVH性能衰减进行研究，通过平衡性能参数解决衰减的根源问题，并结合实例分析密封条对异响衰减的影响。刘铁军[14]研究了汽车匀速行驶工况下车内声压级、语言清晰度随行驶里程的变化情况。赵振东等[15-16]以灰色理论为基础，建立灰色模型GM(1，1)，对汽车橡胶元件的蠕变性能进行预测，根据试验数据建立模型，研究高里程车辆的NVH性能，为主机厂主观评价高里程NVH性能衰减提供参考。熊健强[17]基于统计分析对高里程汽车振动与噪声的稳健性评价，依托福特团队的实验数据进行实例分析，得出出厂NVH品质好不代表高里程后NVH品质依旧优良的结论。刘鸿伟[18]研究高里程汽车车内噪声源的变化特性，基于工况传递路径分析汽车噪声源的产生机理和噪声源的识别路径。目前汽车高里程NVH性能衰减研究多针对汽车零部件展开，对于典型工况下整车NVH性能衰减的研究较少。

本文以某自主品牌SUV为研究对象，分析怠速工况下车内驾驶员和乘员耳旁噪声、方向盘和座椅的振动，通过全国道路适应性试验开展里程积累[19]，根据我国用户的用车习惯，研究[0，30 000)、[30 000，60 000)、[60 000，100 000] km 3个里程阶段的NVH性能衰减[20]，测试各里程节点下车内怠速振动加速度和噪声声压级，分析振动和噪声的频域变化特性。

1 车内怠速振动和噪声变化特性

试验地点为我国某汽车试验场。测试工况为怠速工况，测试状态包括：倒挡/行驶挡空调开(R/D挡，AC ON，状态1)、倒挡/行驶挡空调关(R/D挡，AC OFF，状态2)、停车挡/空挡空调开(P/N挡，AC ON，状态3)、停车挡/空挡空调关(P/N挡，AC OFF，状态4)。振动加速度传感器布置在方向盘正上方和座椅导轨处，噪声传感器布置点为驾驶员右耳处、右后乘客左耳处，信号采集与处理软件采用LMS Test.Lab。采用车辆坐标系，即x轴平行于地面指向汽车前进方向，y轴指向驾驶员的左侧，z轴通过质心指向上方[21]。

1.1 噪声声压级变化特性

噪声声压级越高，NVH性能越差[22]。怠速工况下，通过车内噪声声压级测试得到驾驶员右耳及右后乘客左耳处噪声声压级随行驶里程的变化特性如图1所示。由图1可知：随着行驶里程的增加，车内噪声声压级呈现先升高后降低的趋势；相同挡位下，空调开时的噪声声压级较空调关时大。

a)驾驶员右耳处 b)右后乘客左耳处 图1 怠速工况车内噪声声压级随行驶里程的变化特性

由图1a)可知：行驶里程为30 000 km时，驾驶员右耳处噪声声压级较行驶里程为0时大，变化最大的是状态1，较行驶里程为0时增大约4.0 dB；行驶里程为60 000 km时，噪声声压级仍增长，但增幅较0～30 000 km时小，状态4的增长速度大于状态2，增幅约2.0 dB；行驶里程为100 000 km时，噪声声压级整体降低，降幅最大的是状态3，下降约4.4 dB，整体噪声声压级仍高于行驶里程为0时。

由图1b)可知：行驶里程为[0，30 000) km时，右后乘客左耳处在各状态下噪声声压级增幅均较大，平均增幅约4.0 dB；行驶里程为[30 000，60 000) km时，状态2与状态3的噪声声压级下降约0.6 dB，但高于行驶里程为0时。行驶里程为100 000 km时，状态2的声压级较60 000 km时上升约1.3 dB，其他3个状态的噪声声压级均较60 000 km时有不同程度的下降。

1.2 振动加速度变化特性

振动加速度越大，NVH性能越差[23]。怠速工况下，通过振动测试得到方向盘与座椅导轨处振动加速度随行驶里程的变化特性如图2所示。

由图2a)可知：随行驶里程的增加，方向盘测点处振动加速度增大；相同挡位下，空调开时的振动加速度明显大于空调关状态；行驶至30 000 km时，P/N挡与R/D挡振动加速度较行驶里程为0时均有明显增长，AC ON状态下振动加速度增加幅度更大；行驶至60 000 km时，4种状态的振动加速度均大于30 000 km时；行驶里程为100 000 km时，状态3的振动加速度较60 000 km时下降约0.02 m/s2，状态2的振动加速度增幅最大，4种状态的振动加速度均大于行驶里程为0时。

a)方向盘 b)座椅导轨 图2 怠速工况车内振动加速度随行驶里程的变化特性

由图2b)可知：汽车在行驶里程为0～100 000 km时，怠速工况下座椅导轨处4种状态的振动加速均大于行驶里程为0时。

综上分析，随着行驶里程的增加，车内怠速振动加速度均呈现不同程度的增大，方向盘处振动加速度增幅大于座椅导轨处。

2 里程节点振动和噪声频域变化特性

将怠速工况下车内噪声信号和振动信号进行傅里叶变换，利用频谱分析法分析不同挡位及空调开、关状态下驾驶员及乘客耳旁的噪声声压级，以及方向盘和座椅振动加速度在不同频率上的幅值变化特性。怠速工况下驾驶员右耳、右后乘客左耳噪声信号频谱分析分别如图3、4所示。

图3 驾驶员右耳处噪声信号频谱分析

由图3可知：频率为0～500 Hz，行驶里程为30 000、60 000 km时驾驶员右耳处怠速噪声声压级均高于行驶里程为0时；行驶里程为100 000 km时，声压级较60 000 km时有所下降，整体仍高于行驶里程为0时。

由图4可知：频率为0～500 Hz时，右后乘客左耳处噪声声压级随行驶里程的增加先增大后降低；行驶里程为0～60 000 km时，噪声声压级随行驶里程的增大而增大；行驶里程为100 000 km时，噪声声压级低于60 000 km时，但高于行驶里程为0时。

图4 右后乘客左耳处噪声信号频谱分析

座椅导轨z向振动加速度频谱分析结果如图5所示，方向盘处x向、z向振动加速度频谱分析结果如图6所示。

图5 座椅导轨处z向振动加速度频谱分析

图6 方向盘处振动加速度频谱分析

由图5可知：怠速工况下座椅导轨处z向振动加速度幅值随汽车行驶里程的增加明显变化，其中变化较大的是在频率24 Hz附近，4种状态的振动加速度幅值均随行驶里程的增加而增大。z向2阶振动加速度幅值增大，是由于发动机怠速转速为730 r/min左右，对应发动机2阶振动频率为24 Hz左右，随着里程的增加，悬置橡胶老化及零部件磨损等，由发动机引起的振动明显增加。

由图6可知：方向盘x向与z向的2阶加速度幅值均随行驶里程的增加而增大，行驶里程为0时2阶振动加速度幅值均低于其他行驶里程时。

综上分析，该车行驶里程为100 000 km时车内振动加速度与噪声声压级较行驶里程为0时主要变化如下：1)怠速工况下车内噪声声压级随行驶里程的增加先升高后降低，行驶里程为[0，60 000)km时噪声声压级随行驶里程增加而增大，行驶里程为[60 000，100 000] km时噪声声压级降低；相同挡位下，空调开较空调关时噪声声压级大；相同空调开关状态下，R/D挡较P/N挡的噪声声压级大；2)怠速工况下，车内振动加速度随行驶里程的增加而增大，座椅导轨z向2阶振动加速度幅值，方向盘x向、z向2阶振动加速度幅值均随行驶里程的增加而增大。

3 结语

通过对某SUV进行怠速工况下振动与噪声测试，得到在0、30 000、60 000、100 000 km 4个关键行驶里程时驾乘人员耳旁噪声与方向盘和座椅导轨处的振动变化特性，分析其噪声声压级与振动加速度的整体变化特性与频域变化特性可知：车内驾乘人员耳旁噪声声压级在行驶里程为0～60 000 km时增大，并显著高于行驶里程为0时，行驶里程为100 000 km时噪声声压级较60 000 km时有所下降，但仍高于行驶里程为0时；行驶里程为0～100 000 km时，方向盘与座椅导轨处振动加速度均随行驶里程的增加而增大。该车在行驶过程中存在一定的NVH性能衰减，无法在行驶较长里程后继续保持新车NVH品质。