某轻型客车加速轰鸣问题优化分析

2022-11-02胡显能徐高新陈慈龙钟秤平

汽车实用技术 2022年20期

胡显能，彭荣，李军，徐高新，陈慈龙，钟秤平

（1.江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330001；2.江西省汽车噪声与振动实验室，江西南昌 330001）

随着现代生活水平的提高，消费者对汽车的要求不再局限于纯粹的代步工具，越来越多的消费者开始关注汽车的驾驶乐趣和乘坐品质，而汽车噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能在行驶过程中能够给予消费者最直观的感受，因此，NVH性能已逐渐成为评价汽车品质的重要指标。

汽车噪声振动通常分为正常噪声振动和异常噪声振动，在控制汽车NVH性能过程中，除了需要运用传统的方法对正常的噪声振动进行优化外，还需要采用合适的方法对异常噪声进行抑制。异常噪声产生的原因较复杂，既有零部件质量的原因，也有其他设计方面的原因。为解决不同类型的异常噪声，国内研究学者已针对该问题进行深入研究分析。谢旭等针对某车型加速声品质差的问题，将阶次分析法和模态试验分析方法相结合，通过对副车架结构的优化，从而实现对整车加速车内声品质的优化；王双等针对开发车型中存在加速轰鸣音问题，运用传递路径分析方法确定问题来源于悬置系统，并对悬置系统进行优化，最终实现车内声品质的优化。

本文针对某轻型客车开发阶段，全油门加速工况下2 900 r/min～3 200 r/min转速附近车内存在轰鸣问题进行研究。确定引起加速轰鸣问题的原因，并结合计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析方法对引起轰鸣问题的结构进行优化，提出可工程化的解决措施，从而实现对加速轰鸣问题的改善。

1 问题描述

样车开发阶段，在对整车主观驾驶评价的过程中，发现在全油门加速工况下，当发动机转速在2 900 r/min～3 200 r/min附近时车内存在明显的轰鸣噪声，严重影响整车行驶过程中的乘车品质。为识别引起加速轰鸣的原因，采用西门子工业振动、噪声测试设备（LMS）对加速过程中试验样车主驾驶员外耳的噪声数据进行采集并分析，测试过程中的工况为五挡全油门加速工况。测试分析得出主驾驶员外耳的噪声曲线如图1所示。

图1 加速过程中车内前排噪声声压级测试结果

根据图1的测试结果可知，当转速在2 900 r/min～3 200 r/min附近时驾驶员外耳噪声总声压级随转速变化趋势与发动机二阶噪声声压级随转速变化趋势相吻合，确定加速轰鸣噪声与发动机激励相关；且在怠加速工况下，车内轰鸣问题同样存在，排除动力传动系与轰鸣问题之间的联系。初步判断为整车上某附件与发动机二阶激励频率共振放大引起车内轰鸣问题。

为识别出引起轰鸣的问题频率，根据旋转机构转速与频率关系计算问题频率。旋转机构转速与频率之间的计算式为

式中，为频率，Hz；为转速，r/min；为阶次。

试验样车搭载的为四缸四冲程的发动机，依据相关的参数计算得出引起加速轰鸣的问题频率为96 Hz～107 Hz。

2 问题排查及分析

前期排查过程中，分别断开空调管路、端起空滤以及断开排气吊耳等方案，车内轰鸣均无明显优化。初步判定加速轰鸣问题与空调管路以及进排气系统无关。

声音的传递方式分为结构传递和空气传递。结合前期排查的结果以及引起问题的频率，可以确定轰鸣噪声的传递方式为结构传递。因此，为识别出引起加速轰鸣的结构件，分别对悬置系统以及车身系统这两条传递路径进行排查。

2.1 悬置传递路径分析

悬置系统是汽车动力总成与车身系统连接的主要桥梁，同时也是将发动机工作产生的噪声、振动传递至车内的主要传递路径。因此，为确定加速轰鸣问题与悬置系统是否有关系，需要对悬置传递路径进行排查。

试验样车动力总成布置方式为纵置布置，且悬置系统布置方式为三点式，分别在发动机左、右悬置以及变速箱悬置的被动端布置三相振动传感器，同时车内主驾外耳布置麦克风；测试五挡全油门加速工况下的噪声振动数据，得到的数据曲线如图2所示。

图2 加速工况下车内噪声及悬置被动端振动频图

由图2的车内噪声及悬置系统被动端振动的频谱图可知，发动机变速箱悬置被动端的振动与车内噪声无明显对应关系，仅发动机左右悬置被动端向振动与车内噪声曲线存在一定的对应关系，说明发动机左、右悬置可能是潜在的影响因子。

为进一步确认加速轰鸣是否由发动机左、右悬置传递路径引起，分析各悬置隔振的水平，结果如图3所示。

图3 发动机左右悬置主、被动端隔振量曲线结果

根据图3的分析结果可知，加速过程中发动机左、右悬置主被动端向隔振量均达到目标隔振量20 dB，进而排除发动机左、右悬置是引起加速轰鸣的关键因素。

2.2 车身横梁传递路径分析

车身结构附件固有频率与发动机激励频率耦合共振放大是引起汽车加速轰鸣问题的重要原因之一。根据以往车身附件固有频率测试的经验，对试验样车的车身前保横梁进行排查分析。

为辨别加速轰鸣问题是否由车身前保横梁与发动机激励频率耦合共振引起，对测试加速过程中车身前保横梁的振动数据以及车内的噪声数据进行分析，结果如图4所示。

图4 车内噪声及车身前保横梁振动曲线图

图4的分析结果表明，车身前保横梁的振动数据与车内噪声存在一定对应关系。为进一步判断车身前保横梁是否导致加速轰鸣的关键因素，在车身前保横梁上加10 kg重量的磁铁进行验证，车身前保横梁附加质量如图5所示。测试分析得到的结果如图6所示。

图5 车身前保横梁加磁铁附图

图6 加磁铁前、后车内噪声及横梁Z向振动对比

图6中实线为基础状态测试结果，虚线为横梁加磁铁状态测试结果。对比两种状态的测试结果可知，附加磁铁后在2 900 r/min～3 200 r/min转速区间车内噪声总声压级以及二阶噪声声压级相较于基础状态优化了5 dB(A)～6 dB(A)，横梁向振动相较于基础状态降低了0.1～0.2；且主观评估轰鸣问题优化明显可接受，进而锁定车身前保横梁为导致轰鸣问题的关键因子。

2.3 响应分析

为能够从工程化的角度进一步优化该问题，仍然需要识别车身前保横梁的固有频率以及其它响应的附件。

对车身前端进行模态测试，同时对左前车门板中心、挡风玻璃中心到车内的噪声传递函数（Noise Transfer Function, NTF）进行测试，结果如图7和图8所示。

图7 试验样车前端模态振型图

由图7、图8的测试结果可得，车身前保横梁在104 Hz附近存在局部向弯曲的模态，而且左前门及前玻璃处存在105 Hz附近的响应频率。进而识别出加速轰鸣的传递路径为源头（发动机）—路径（车身前保横梁—前玻璃和左前门）—响应（车内噪音）。

图8 激励左门、挡风玻璃到车内的噪声频响测试结果

3 轰鸣问题优化

3.1 工程方案的提出

因车身前保横梁涉及安全法规等问题，直接提升刚度来改变固有频率存在一定安全风险，所以需要借助动力吸振器弱化问题频率的能量，来间接优化加速轰鸣问题。但直接在车身前保横梁安装动力吸振器会存在因安装点刚度不足而导致动力吸振器安装的频率与实际设计频率差异较大，不能达到弱化问题频率能量的效果。

为满足要求，需要在安装动力吸振器之前提升车身前保横梁的局部刚度，使得动力吸振器的整车频率达到问题频率，动力吸振器才能起到减振作用。因此，初步的工程方案为在车身前保横梁内部局部点焊加强焊板，并在加强处安装整车频率为（99.5±5.5）Hz的动力吸振器。

3.2 仿真分析

为验证车身前保横梁局部加强提升动刚度的有效性，借助CAE对优化后的结构进行仿真分析。CAE分析中车身前保横梁局部加强的结构以及结构加强后原点动刚度仿真分析结果如图9所示。

图9（b）中实线为基础状态横梁原点动刚度CAE分析结果，虚线为横梁局部结构加强状态横梁原点动刚度CAE分析结果。对比两次分析结果可得，局部加强后原点动刚度相较基础状态得到显著的提升，尤其是在100 Hz以后，进而验证车身前保横梁局部加强对于原点动刚度的提升具有一定的可行性。

图9 局部结构加强附图及原点动刚度分析结果

3.3 试验分析及验证

为验证CAE仿真分析结果与整车加强效果是否具有一致性，在试验样车车身前保横梁局部加强的基础上安装95 Hz的动力吸振器，并采用敲击法测试该动力吸振器的频响曲线，测试附图如图10所示，测试结果如图11所示。

图10 动力吸振器频响测试附图

图11 动力吸振器频响测试结果

根据动力吸振器频响曲线的测试结果表明，动力吸振器安装在整车上的频率与实际频率相吻合，验证仿真分析结果与实际加强效果的一致性。

为进一步验证车身前保横梁结构优化对于改善加速轰鸣问题的有效性，进行实车道路试验验证，采集五挡全油门加速工况下车内的噪声数据，并与基础数据进行对比，结果如图12所示。

图12 优化前后车内噪声对比结果

图12(a)中1、2号线分别为基础状态下车内整体噪声和二阶噪声测试结果，3、4号线分别为优化状态后车内整体噪声和二阶噪声测试结果。对比分析两种测试结果可知，优化后的车身前保横梁结构在配合动力吸振器的作用对加速过程中车内的轰鸣噪声进行了改善，其中在2 900 r/min～3 200 r/min转速区间内车内整体噪声声压级和二阶噪声水平均优化约5 dB（A），且乘员主观驾评完全可以接受，进而验证本研究加速轰鸣优化方法的有效性。