某车辆加速车内轰鸣问题分析与解决方法

翟志雄　黄志亮

摘 要：某车辆在加速过程中当发动机转速在3500rpm左右时存在明显轰鸣声，该转速段附近为常用转速段，严重影响乘客主观感受及车辆品质，通过试验与仿真分析相结合的方法，从噪声源及传递路径对轰鸣声产生的原因进行分析和验证，确认该轰鸣声受动力总成标定、长半轴、前副车架、右前纵梁局部模态共同影响，综合考虑可实施性与成本，逐一解决，达到消除轰鸣声的效果。

关键词：轰鸣声 标定 模态 动力吸振器

1 前言

当今社会汽车逐渐普及，使消费者对车辆的静态与动态的要求越来越高。车辆的NVH性能是衡量整车性能的重要指标，而加速轰鸣声作为NVH性能评价的关键项目，在开发过程中应加以避免。对于搭载四缸发动机的车辆，高转速的轰鸣声大多为发动机二阶激励与半轴、前副车架、前纵梁模态耦合，引起车内轰鸣激励通过半轴和悬置传递至车身，引起局部钣金件或结构模态被激发从而引发人耳强烈的压耳感。

本文以开发过程中的某款车辆为例，通过试验与仿真分析相结合的方法，确认引起车内轰鸣的主要部件，从而通过ECU和TCU标定优化、长半轴加双模动力吸振器、前副车架加A字复合加强梁且增加焊点、前纵梁根部斜向支撑四种方案改善车内轰鸣声。

2 问题描述

某车辆在加速过程中，当发动机转速在3500rpm附近时，驾驶员耳旁可以听到明显轰鸣声，压耳感严重，但后排驾乘人员无此相关感受。通过3档全油门加速工况采集主驾右耳总声压级曲线和2阶、4阶、6阶次噪声曲线，可以看出在3500rpm附近2阶次曲线峰值突出，接近72dB（A），紧挨总声压级曲线，因此可以判断该轰鸣产生的主要贡献量为2阶次噪声，如图1所示。

由于该轿车搭配四缸四冲程发动机，因而根据其本身固有特性，可以计算出点火频率为[1]

其中i为噪声与振动的阶次，n为发动机的曲轴转速，因此可以计算出发动机在3500转附近2阶次噪声频率为117Hz左右。

3 问题排查和验证

3.1 动力总成标定

扭振测试发现发动机在3500rpm附近扭振比较严重，通过对ECU数据更新降扭（节气门开度50%-80%，3200rpm-4000rpm范围内降扭5%）和调整TCU换挡线使在问题转速段降低档位缩短加速通过时间，客观测试结果显示车内二阶轰鸣声在3500rpm附近总级降低2-3dB（A），二阶降低5dB（A），如下图2所示，主观感受加速线性较好。

3.2 长半轴

对长半轴进行模态测试，长半轴在118Hz左右存在模态，如下图3所示，与车内轰鸣声频率相对应。当发动机转速在3500rpm左右时，发动机二阶激励引起的长半轴共振，需要在半轴上加动力吸振器解决。

動力吸振器技术主要分为主动式、半主动式、被动式吸振三种方式，这三种技术由于所具有的不同优缺点，从而广泛地应用于不同的领域，而被动式吸振器由于其低成本、高功率密度、高可靠性和对窄频段具有良好的吸振效果从而广泛应用于车辆调校领域[2]，将半轴视为一个单自由度振动系统，在振动模态较大的中心增加被动式动力吸振器，即可构成一个两自由度质量振动系统，从而可以有效地抑制半轴该频率的振动，图4为此振动系统等效模型。

等效模型运动方程为

假设系统做简谐运动带入上式可解出与的关系

回带得到

显然设计吸振器的目标是为了减弱原系统振幅大小。根据主振系统质量和固有频率选择吸振器质量，计算质量比，并确定最佳频率比，从而确定吸振器弹簧刚度。

根据这个原理在长半轴加103Hz/580g+

560Hz/240g双模动力吸振器后，加速3500rpm左右二阶噪声下降5 dB（A）左右，如下图5所示，主观评价车内前排轰鸣声明显降低。

3.3 前副车架

对前副车架进行模态测试，前副车架在120Hz存在模态，从振型可以看出该模态为车身前纵梁与前副架的整体模态，与轰鸣点频率相吻合，如下图6所示。

前副车架上下板之间增加A字形复合加强梁，分别与上下板焊接，厚度2.0mm，如下图7所示，增加后提高副车架Z向刚度，CAE分析可降低后悬置被动端安装点响应，见下图8所示，试验验证加速3500rpm左右二阶噪声下降5-8dB（A）左右，见下图9所示。

3.4 右前纵梁

从CAE仿真和试验模态识别结果来看，右前纵梁120Hz附近峰值较小且以Y向为主，整车加速工况下纵梁属于强迫响应，纵梁根部加斜向支撑仍然对纵梁的刚度及整车的稳健性有益，右前纵梁振动响应和Y向传递函数在120Hz左右峰值明显降低，见下图10-图12所示。

4 综合方案验证

将以上四种方案即ECU和TCU标定优化、长半轴加双模动力吸振器、前副车架加A字复合加强梁且增加焊点、前纵梁根部斜向支撑在整车上全部体现后进行测试验证和主观评价，测试结果显示加速3500rpm附近驾驶员右耳噪声总级降低3-4dB（A），二阶噪声下降4-6 dB（A），详见下图13所示，主观评价加速轰鸣声可以接受。

5 总结

针对某车辆高转速轰鸣问题，首先要确定轰鸣声的特性以找到激励源，其次通过CAE仿真与实验相结合方式来确定对轰鸣声贡献大的结构部位。在轰鸣声控制方面，提出优化动力总成标定、长半轴加双模动力吸振器、前副车架加A字复合加强梁且增加焊点、前纵梁根部斜向支撑来削弱结构模态和声腔模态的耦合作用。通过试验证明了分析方法的正确性以及控制方法的有效性。为新车开发过程中提供目标值设定依据，推荐主要部件结构频率及响应的合理性，预测新产品NVH性能，从而大大缩短研发周期，降低开发成本。

参考文献：

[1]佟德纯. 工程信号处理及应用[M].上海：上海交通大学出版社.1989.

[2]背户一登. 动力吸振器及其应用[M].北京：机械出版社.2013.

[3]庞剑. 汽车噪声与振动-理论应用[M].北京：北京理工大学出版社.2008.