乘用车备胎舱对路噪的影响和优化

黄灵河 罗颖 刘国彬 陈祝建 吴文栋

摘  要：针对某SUV车型低频路噪轰鸣声问题，实车道路排查测试发现备胎舱与车内轰鸣声存在强相关，并结合前期的仿真分析结果，识别出备胎舱是引起车内轰鸣声主要原因。通过充分利用截面几何力学特性指导结构优化，提高备胎舱刚度，使其模态频率与问题频率避频，达到改善驾乘人员的乘坐舒适度。同时也为后续车型开发过程中提供借鉴，备胎舱结构设计开发，不仅要满足承重的性能指标要求，还要兼顾NVH性能指标，特别是在共平台车型开发过程中，此性能指标制定尤为重要，如果舒适性能指标制定合理，可以有效避免共用底盘件不同车型由于配置产生的其他NVH问题，也可以间接减少物理试验的投入，降低开发成本。

关键词：路噪；轰鸣声；截面；测试

中图分类号：U463.1；TB535      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2024）02-0099-05

Influence and Optimization of Passenger Car Spare Tire Compartment on Road Noise

HUANG Ling-he1， Luo Ying1， Chen Zhu-jian1， Liu Guo-bin1， Wu Wen-dong2

（1. Liuzhou Kaiyue Technology Co.Ltd.， Liuzou 545616， China; 2.Dongfeng Liuzhou Automobile Company Limited.， Liuzou 545005， China）

Abstract： Aiming at the problem of low-frequency road noise roar of a certain SUV model， it is found that there is a strong correlation between the spare tire compartment and the roar inside the vehicle through the road test of the real vehicle， and then the spare tire compartment is identified as the main cause of the roar inside the vehicle through simulation analysis. Then the structural optimization is guided by the geometric properties of the section to improve the stiffness of the spare tire cabin， avoid the modal frequency and the problem frequency， and improve the ride comfort of the drivers and passengers. NVH performance indicators should be taken into account in the configuration design of the spare tire compartment for the follow-up model development process. Especially in the development process of common platform models， this performance index is more important. Reasonable performance index formulation in the whole vehicle development process can effectively avoid other NVH problems caused by different models due to configuration， and can also indirectly reduce the investment in physical testing and reduce development costs.

Key Words： Road Noise; Booming Noise; Cross Section; Test

1    前言

车身备胎舱是整车白车身的重要组成部分，也是下车体地板结构设计考虑的重要一部分，它不仅承受备胎与行李物品的重量，也会承受汽车行驶时底盘传递到它的振动。乘用车SUV车型备胎舱一般与车身后排乘员舱是相连的，如果备胎舱的结构设计不合理，将直接影响后排乘客的乘车感受，因此备胎舱结构设计不仅要考虑承重的问题，还要考虑避开产生振动噪声相关的舒适性问题[1]。所以，SUV车型备胎舱结构设计，不仅需要满足承重的刚强度指标外，还要兼顾满足乘员舒适性指标要求，使其避免产生振动噪声相关的问题。

备胎舱作为白车身平面钣金覆蓋率比较大的部件之一，其屈服强度都比较低，而且备胎舱为深冲压区。由平板的振动理论可知，平板的厚度增加，其抗弯曲能力会增加。但在实际工程当中，单一的增加厚度来达到某个性能指标不是最佳选择，因为材料厚度的增加，不仅会增加开发投入成本，还增加整车的车身重量，会对整车动力性、经济性产生直接影响。工程上对某个部件性能提升，首先要考虑的是在不增加成本的条件下作为首选方案，其次就是要满足整车开发的各项性能指标。平台化车型备胎舱设计要考虑不同配置性能指标问题，如果只考虑单一车型成本问题，由配置发生差异而引起的其他NVH性能问题，对企业来说也是增加成本投入的。

2    问题概述

对某SUV乘用车进行整车NVH道路噪声评价，汽车在粗糙路上行驶时，车内后排乘员位置有较强的低频轰鸣声，主观无法接受，前排无明显轰鸣声，并且路面越粗糙、车速越快车内轰鸣声越明显。为了排查这一问题是否是动力总成引起，针对不同档位不同工况和路面进行多次对比评价，当样车在粗糙路面行驶时，无论带档匀速、带档滑行或者空档滑行该问题一直存在，而在光滑路面行驶，车内轰鸣声明显减弱。从以上评价结果可判断此问题与动力系统相关性较小，主要与路面激励相关，可以初步判定轰鸣声为路噪问题。

为了确定轰鸣声具体频率，通过数采前端采集样车问题工况数据，从样车客观数据分析来看，粗糙路匀速50km/h工况，车内后排在43Hz、89Hz、101Hz多个频率存在噪声峰值，如图1所示。其中43Hz峰值达到了52.7dB（A），通过试验数据回放和结合实车主观评测，确认后排轰鸣声主要是由43Hz峰值引起，需要对其进行详细排查和优化[2]。

3    路面噪声产生机理

整车路噪是指汽车行驶时，由于路面与轮胎摩擦变形产生的激励，使轮胎结构特性引起的振动，经由悬架系统结构件和空气介质的传递，最终作用于车身结构系统，引起的车内噪声。路面噪声根据传递路径的不同，可分为结构传递和空气传递两种。在车内噪声频谱特征中，低频主要成分为结构声，高频主要成分为空气声[3]。车内轰鸣声的表现频带为20～200Hz，因此，结构贡献所占比重较大，重点从结构传递路径去排查问题。当汽车行驶时轮胎受到路面激励作用，产生的振动通过轮胎传递到轴头，再从轴头分别通过悬架、副车架等部件传递到车身，最终引起车身钣金件共振并作用于声腔，产生的轰鸣声。

由于整车开发过程中，轮廓尺寸开发初期已定，车内声腔又由整车轮廓尺寸决定，因而车内声腔模态也已经固定，很难再进一步优化。因而，在实际工程方案中，解决低频路噪問题的主要途径主要从三个方向去考虑：一是从激励源上优化，降低振动源，例如使用静音轮胎，降低激励源振动；二是从传递路径上优化，降低传递到车身的激励力，例如优化悬架系统的衬套，提高衬套隔振效率，削减作用在车身上的激励力；三是从响应端进行优化，提高响应部件结构刚度，降低板件自身振动响应和表面辐射噪声，例如大钣金件局部增加支撑梁提高板件刚度。

3.1   问题排查

结合实车测试和前期仿真结果，下列是低频35～50Hz频率子系统一阶模态频率，如表1所示，大部分是大钣金覆盖率高的系统。

为进一步确认哪个系统是引起车内轰鸣问题，对上述系统逐一排查。工程上大钣金件的振动噪声问题排查手段，主要通过增加质量或者贴阻尼片的方式快速开展排查。在对备胎舱系统进行初步排查发现发现，移除备胎或改变备胎舱承重时，实车主观车内后排轰鸣声有明显变化，其他子系统在排查过程中，车内轰鸣声均无明显变化。

综合各个系统客观数据分析和主观评测结果，确认备胎舱是引起车内后排轰鸣声的主要原因。

3.2   优化和改进措施

3.2.1 模型校核

为优化备胎舱的结构，首先要对备胎舱CAE原状态模型校核，保证仿真结果与实测结果误差在5%内。装车状态备胎跟地板接触的部分是轮胎胎皮区域，仿真模型接触部分采用CBUSH单元模拟连接，备胎中心固定螺栓连使用刚性单元模拟，点焊连接使用rbe3+hex8单元模拟。

由仿真和测试结果可知，备胎舱仿真结果一阶模态为44.6Hz，试验测试结果为42.8Hz，仿真与试验结果误差为4.2%，误差在5%以内满足指标要求，验证仿真模型的准确性。可以使用该模型对后续进行结构优化并指导试验方案。

从测试结果看，是备胎舱一阶模态被激发引起的车内后排轰鸣声，需要对其结构进行优化，在工程上通常大钣金提高刚度最直接有效的方法是在大平板上冲压筋[4]，或者增加加强件。从部件截面几何结构的角度看，无论是冲压筋条或者增加加强件，都是改变截面的几何形状。因此，充分了解几何截面力学性能，就很好指导和优化部件的结构。

3.2.2 典型截面理论基础

车身骨架是由很多不同形状的梁构成，梁的结构性能很大程度上影响整车的性能。其梁的截面几何性能直接影响梁的力学特性，进而也影响整车性能。因此，整车设计过程中，梁截面的几何结构设计非常重要，用最少的材料，设计出性能优异的结构，是所有工程设计要考虑的问题。

在材料力学中，截面几何属性主要有形心、面积、轴惯性矩、极惯性矩、静矩、惯性积、弹性和塑性截面模量等。其中的面积、惯性矩直接影响梁的力学性能。车身骨架梁截面属于典型的薄壁梁结构截面，影响薄壁梁结构截面性能主要参数是截面的面积A和形心主惯性矩Ix（Iy）、扭转常数It。

惯性矩定义：截面上所有点至坐标轴距离平方的和。它是一个几何量，反映截面上的点相对于轴的分布情况。通常被描述为截面抵抗弯曲的特性，其单位为（m^4）。

由材料力学可知，梁受到外力作用时其变形有：

其中，M为梁受到的力矩，E为材料弹性模量，Iz为梁惯性矩。式中EI为梁的抗弯刚度， 其中E为定值，材料抗弯刚度主要是由惯性矩大小决定。

由圆形轴受到扭矩作用时，两截面相对扭转角有：

其中，M为轴受到的扭矩，L为作用轴的长度，G为材料剪切模量，Ip为轴惯性矩。式中GI为圆形杆的抗扭刚度， 其剪切模量G一定，材料抗扭刚度主要是极惯性矩大小决定。

由材料受力变形理论可知，部件抵抗弯曲或者扭转的主要参数是惯性矩。为了对比不同形状的截面性能参数，对相同材料尺寸围成不同形状截面参数对比，如表2所示：

其中：IX . IY惯性距； It扭转常数。

通过结果对比可知，相同尺寸的材料，围成不同形状的几何截面，开口截面，其扭转常数很小，说明抗扭刚度小，封闭截面的扭转常数变得非常大，其抗扭得到大幅提高，说明结构稳定性越好。所以在整车结构设计过程中重要骨架部分都采样封闭梁形式。

3.2.3 备胎舱结构优化

要对部件进行优化，首先要确认所要评价的几何截面。截面选取原则是，找出部件在安装状态下最薄弱的部位，评价的几何截面必须要通过该部位。

该SUV车型备胎舱结构是倒“U”结构，要对其结构进行优化，首先确定备胎舱比较弱的部位，再对其进行优化。从备胎舱模态试验测试结果看，备胎舱振幅最大的是备胎安装中心点，也是结构的薄弱位置，且备胎安装位置为圆形，选定通过备胎舱中心点的几何截面作为评估备胎舱的结构性能。本案选取整车坐标X-Z平面（A-A）和Y-Z平面（B-B）作为优化基准，如图3a所示：

对截面性能评估时，其截面各个部件要求相连，所以在获取截面后要对截面进行必要连接处理，板件之间连接用点焊模拟，如图3b：

从上述方案结果可知，在原状态没有加强梁的X-Z截面抗扭常数较低。方案一增加地板厚度X-Z截面抗扭常数相对原状态有所提升，但提高幅度不明显，且该板件增加厚度对成本投入较大，方案不予采纳；

方案二增加横梁厚度，X-Z截面抗扭常数也未得到大幅提高，方案不通过；方案三相当于改变截面长宽比，X-Z截面抗扭常数也未得到大幅提高，方案也不予采纳；

方案四在增加纵梁，在X-Z几何平面形成一个封闭的梁截面，抗扭常数得到大幅提高，且该方案在其它数模都锁定的状态下，该方案工程化方案最容易实施，方案予以采纳；

综合上述优化方案，截面抗扭常数不会因为板厚的增加或者增加起筋高度而大幅提高，只有在几何截面有封闭形状的情况下，抗扭常数才大幅提高。初定方案四作为工程化方案的验证方案，首先要对方案进行CAE验证，关注优化方案结果是否与车内声腔或其它部件模态存在耦合，若存在模态耦合，会引起其它的振动噪声问题。通过仿真分析，优化后备胎舱一阶模态由44.6Hz提升至49.5Hz，且与其它车身系统模态未存在耦合现象，推荐在样车进行手工方案验证，如图4a所示：

4    样车验证

针对仿真方案的改善效果，在问题样车上进行手工改制验证，如图4b所示。实车在备胎舱增加纵梁方案后，样车以相同条件进行路试验证，客观数据采集的同时开展主观评测，客观测试数据结果显示，车内后排乘员耳旁位置在43Hz噪声峰值下降6.9dB（A），车内总声压级降低1.8dB（A），如图5所示，客观数据轰鸣声有显著改善；对车内进行主观评测，车内轰鸣声压耳感改善明显，评测可接受。

5    结论

针对某SUV车型路噪车内轰鸣问题[5]，通过测试识别引起轰鸣声是备胎舱，再利用几何截面力学属性，对结构进行优化，得出以下结论：

（1）备胎舱对车内噪声影响主要表现为低频压耳的轰鸣声，主要表现频率范围为35～45Hz；

（2）充分利用几何截面力学属性特征，对部件结构进行优化，零部件关键部位，建议采用封闭梁截面形式；

（3）備胎舱设计除了要满足刚强度性能指标外，还要满足驾乘人员的舒适性需求，在开发过程要兼顾两者的性能指标，其舒适性指标要求一阶模态与声腔模态频率解耦。

参考文献：

[1]庞剑. 汽车车身噪声与振动控制[M]. 北京：机械工业出版社，2015.1，156-159.

[2]刘东明，方健，赵敬义等.车身板件对车内噪声的贡献量分析[J].噪声与振动控制，2011，4：48-51.

[3]余雄鹰，闵福江，文伟，等. 轮胎/路面噪声的结构传递路径分析.汽车工程，2013；35（11）：1030—1034.

[4]吴仕斌. 基于有限元汽车支架拓扑优化设计[D].吉林：吉林大学，2005.

[5]刘显臣. 汽车NVH综合技术[M]. 北京：机械工业出版社，2014．