某型車進(jìn)氣轟鳴問題研究

孫 佳，周丹丹，羅恩志

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司 技術(shù)中心,河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

某型車進(jìn)氣轟鳴問題研究

孫 佳1,2，周丹丹1,2，羅恩志1,2

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司 技術(shù)中心,河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

某新開發(fā)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)車輛在加速過程中當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min左右時(shí)車內(nèi)存在轟鳴聲，嚴(yán)重影響車內(nèi)乘坐舒適性。運(yùn)用道路試驗(yàn)分析、CAE分析等手段對(duì)噪聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究，最終確定原因是進(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)導(dǎo)致空氣濾清器振動(dòng)，經(jīng)由車身連接點(diǎn)至車內(nèi)傳遞路徑放大導(dǎo)致轟鳴噪聲。通過優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)，增加赫姆霍茲諧振腔，降低激勵(lì)源，并在車身與空濾連接點(diǎn)增加橡膠墊片以衰減振動(dòng)傳遞，使車內(nèi)前后排噪聲幅值各降低7 dB左右。

聲學(xué)；轟鳴聲；進(jìn)氣系統(tǒng)；道路試驗(yàn)；CAE分析

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車越來越成為家庭生活和工作出行不可或缺的工具。而伴隨著工業(yè)水平的進(jìn)步，人們對(duì)車輛各方面的要求也越來越高，在滿足代步的同時(shí)更追求車輛的舒適性，而NVH問題正是影響車輛舒適性的主要問題。在組成車輛的眾多系統(tǒng)中，進(jìn)氣系統(tǒng)是引起車輛振動(dòng)噪聲的主要原因之一，對(duì)車輛NVH性能有重要影響。

1 進(jìn)氣噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

對(duì)于自然吸氣汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣噪聲主要有四種：周期性壓力脈動(dòng)噪聲、管道氣柱共振噪聲、氣缸的赫姆霍茲噪聲和渦流噪聲[1]。

1.1 周期性壓力脈動(dòng)噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門周期性開閉，引起進(jìn)氣管道內(nèi)氣流壓力與速度形成周期性的波動(dòng)，形成周期性壓力脈動(dòng)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)壓力脈沖，兩個(gè)壓力脈沖周期性地發(fā)生，形成周期性噪聲，周期性壓力脈動(dòng)噪聲的主要頻率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變而變化。

1.2 管道氣柱共振噪聲

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣管構(gòu)成了一端封閉而另一端開口的氣柱共振系統(tǒng)，在進(jìn)氣管內(nèi)具有連續(xù)質(zhì)量分布和可壓縮的空氣，非常容易產(chǎn)聲氣柱共振。氣柱共振以空氣為介質(zhì)在管道內(nèi)傳播，與聲波傳播密切相關(guān)，當(dāng)氣柱振動(dòng)的某1階固有頻率與聲源的激振頻率比較接近時(shí)，產(chǎn)生的共振使進(jìn)氣管道內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和輻射噪聲。

1.3 氣缸的赫姆霍茲噪聲

將發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸簡(jiǎn)化成一個(gè)赫姆霍茲共振腔，當(dāng)缸內(nèi)氣體壓力脈動(dòng)頻率等于發(fā)動(dòng)機(jī)各階次基頻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，輻射噪聲最大。

1.4 渦流噪聲

當(dāng)高速氣流從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管中進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸時(shí)，受進(jìn)氣管內(nèi)障礙物如氣門、氣門導(dǎo)管、進(jìn)氣管彎角、進(jìn)氣管內(nèi)毛刺、尖劈等的影響，進(jìn)氣管內(nèi)的氣流受到阻礙形成渦流，產(chǎn)生渦流噪聲[2,3]。

2 問題描述

某款新研發(fā)的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)車型，在性能驗(yàn)證階段，主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min左右車內(nèi)存在轟鳴聲，且后排轟鳴聲高于前排，車內(nèi)地板有明顯不舒適振動(dòng)，此問題嚴(yán)重影響整車NVH性能。

3 原因分析

3.1 主觀評(píng)價(jià)及分析

通過主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，該問題只有在加速狀態(tài)明顯且在急加速時(shí)問題比較嚴(yán)重。初步判斷此問題與進(jìn)氣系統(tǒng)有關(guān)。

3.2 道路測(cè)試

為查找問題原因，對(duì)問題樣車進(jìn)行道路試驗(yàn)測(cè)試。分別在機(jī)艙進(jìn)氣口、車內(nèi)駕駛員耳旁、后排乘客右耳位置布置麥克風(fēng)?？紤]到空濾安裝在車身上，在空濾殼體上布置振動(dòng)傳感器。運(yùn)用LMS公司Test.Lab測(cè)試軟件，采用Signature Testing-Advanced測(cè)試模塊對(duì)整車進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，采樣頻率帶寬為2 048 Hz，頻率分辨率為0.5 Hz。在平坦道路行駛、三檔全負(fù)荷加速工況，采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min至4 100 r/min區(qū)間的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)車內(nèi)有明顯噪聲峰值。從噪聲、空濾殼體振動(dòng)數(shù)據(jù)上看在2 000 r/min均存在峰值（見圖1），因此，判斷車內(nèi)轟鳴由進(jìn)氣系統(tǒng)引起。

圖1 原狀態(tài)車內(nèi)噪聲及空濾振動(dòng)曲線

為進(jìn)一步確認(rèn)問題根源是由進(jìn)氣口輻射引起還是空濾振動(dòng)引起，設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)方案。

1)將進(jìn)氣前導(dǎo)管用管路加長(zhǎng)引出發(fā)動(dòng)機(jī)艙，對(duì)進(jìn)氣口噪聲進(jìn)行屏蔽[4]，以觀察進(jìn)氣輻射噪聲的貢獻(xiàn)；

2)將空氣濾清器與車身的連接點(diǎn)斷開，以觀察結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)問題的貢獻(xiàn)。

測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

(1)屏蔽進(jìn)氣方案對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲水平見圖2，其中實(shí)線為屏蔽進(jìn)氣前的曲線，虛線為屏蔽進(jìn)氣后的曲線。

圖2 屏蔽進(jìn)氣方案對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲

(2)斷開空氣濾清器和車身連接點(diǎn)后車內(nèi)噪聲水平見圖3，其中實(shí)線為斷開連接前的曲線，虛線為斷開連接后的曲線。

圖3 斷開連接方案對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲

從兩種方案的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，屏蔽進(jìn)氣后車內(nèi)噪聲無明顯變化，但斷開空濾與車身連接點(diǎn)后車內(nèi)噪聲峰值明顯降低，主觀評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲可接受。據(jù)此判斷此問題是空濾振動(dòng)通過車身傳遞到車內(nèi)引起車內(nèi)轟鳴。

3.3 進(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)測(cè)試

為了找出空濾在2 000 r/min存在振動(dòng)峰值的原因，在空濾后導(dǎo)管布置壓力傳感器進(jìn)行管路壓力測(cè)試。

從圖4壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果上看，進(jìn)氣壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min左右存在峰值，與空濾振動(dòng)曲線一致性較好，表明空濾振動(dòng)是由進(jìn)氣壓力脈動(dòng)激起的。

圖4 空濾壓力脈動(dòng)曲線

3.4 傳遞路徑排查

針對(duì)空濾安裝點(diǎn)到車內(nèi)的聲學(xué)傳函進(jìn)行測(cè)試。

從圖5傳函曲線上可以看出空濾安裝點(diǎn)到車內(nèi)聲學(xué)傳函在問題頻率區(qū)間存在峰值，而且后排傳函大于前排，這也更好的解釋了為什么車內(nèi)噪聲后排的峰值要大于前排。

圖5 空濾安裝點(diǎn)到車內(nèi)聲學(xué)傳函

3.5 原因分析

通過對(duì)以上測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出此問題產(chǎn)生的原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r/min進(jìn)氣壓力波動(dòng)峰值較高，導(dǎo)致空濾振動(dòng)過大；空濾安裝點(diǎn)到車內(nèi)聲學(xué)傳函在問題頻率存在峰值且后排峰值高于前排，而空濾直接螺接在車身上，振動(dòng)沒有進(jìn)行有效的衰減。因此振動(dòng)通過安裝點(diǎn)傳遞到車內(nèi)經(jīng)由路徑放大引起車內(nèi)轟鳴。

4 方案制定及驗(yàn)證

4.1 方案制定

4.1.1 理論分析

對(duì)于優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)，最有效的方法就是在進(jìn)氣系統(tǒng)增加消聲元件，由于之前測(cè)得此問題為進(jìn)氣66 Hz低頻轟鳴問題，所以最終確定在進(jìn)氣系統(tǒng)增加赫姆霍茲諧振腔；赫姆霍茲諧振腔中心消聲頻率為[5-6]

式中c0為聲速，V為共振腔容積，SC為連接管內(nèi)徑截面積，l為連接管長(zhǎng)度?？梢娪绊懞漳坊羝澫暺飨曨l率的參數(shù)有共振腔容積，連接管內(nèi)徑截面積和連接管長(zhǎng)度[7]。

4.1.2 仿真計(jì)算

為確定赫姆霍茲諧振腔各參數(shù)和布置位置，利用有限元分析方法建立進(jìn)氣系統(tǒng)模型并進(jìn)行管口聲壓計(jì)算，分析結(jié)果見圖6。

圖6 進(jìn)氣管口聲壓結(jié)果

從圖6分析結(jié)果上可以看出，進(jìn)氣導(dǎo)管在70 Hz左右，靠近空濾端拐彎處聲能量較大，拐彎處靠近空濾端和遠(yuǎn)離空濾端均可布置諧振腔，分析結(jié)果表明，將諧振腔布置在靠近空濾端管口聲壓較原狀態(tài)降低較多[8]見圖7）。

圖7 仿真分析兩個(gè)位置與原狀態(tài)管口聲壓

4.1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)分析所得參數(shù)制作諧振腔樣件，分別在實(shí)車靠近空濾端和遠(yuǎn)離空濾端加諧振腔進(jìn)行進(jìn)氣口聲壓及空濾振動(dòng)測(cè)試，結(jié)果表明靠近空濾端效果較好，與分析結(jié)果一致，見圖8。

4.2 效果確認(rèn)

綜合上述分析過程，最終方案為結(jié)合機(jī)艙空間布置將諧振腔裝在空濾前導(dǎo)管靠近空濾處，并在空濾和車身連接螺栓上增加橡膠墊片，見圖9。

在車輛上實(shí)施優(yōu)化方案后，再次對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖10。

圖8 兩種方案進(jìn)氣口聲壓

圖9 最終方案

圖10 車內(nèi)噪聲優(yōu)化前后對(duì)比

經(jīng)上述優(yōu)化后，車內(nèi)噪聲降低明顯，前后排在發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r/min左右降低約7 dB，主觀評(píng)價(jià)可接受，此問題得以解決。

5 結(jié)語

（1）針對(duì)某新開發(fā)車型試驗(yàn)驗(yàn)證階段出現(xiàn)的車內(nèi)轟鳴聲問題，從試驗(yàn)出發(fā)對(duì)問題進(jìn)行研究，排查出引起加速工況2 000 r/min下車內(nèi)轟鳴聲問題的原因?yàn)檫M(jìn)氣壓力波動(dòng)引起空濾振動(dòng)，經(jīng)空濾安裝點(diǎn)傳至車身，被傳遞路徑放大，從而引起車內(nèi)轟鳴噪聲。

（2）對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行理論分析，通過仿真分析手段確定增加赫姆霍茲諧振腔，經(jīng)試驗(yàn)確定其參數(shù)和位置。

（3）通過此問題的研究，總結(jié)出進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)車內(nèi)噪聲振動(dòng)的影響因素和進(jìn)氣壓力波動(dòng)引起車內(nèi)噪聲問題的解決思路，對(duì)避免進(jìn)氣系統(tǒng)在車型開發(fā)前期出現(xiàn)此類問題積累了經(jīng)驗(yàn)，具有指導(dǎo)意義。

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Study on Vehicle Booming Noise Induced by Intake System

SUN Jia1,2,ZHOU Dan-dan1,2,LUO En-zhi1,2
（1.R&D Center of Great Wall Motor Company,Baoding 071000,Hebei China; 2.Automotive Engineering Technical Research Center of Hebei Province, Baoding 071000,Hebei China）

There is a booming noise for a newly developed vehicle with a natural intake system when it is accelerating and the speed of the engine reaches 2 000 r/min,which seriously affects the NVH performance.In this paper,the cause of booming noise is analyzed by means of road test method and CAE method.It is found that the pressure fluctuation of the intake system induces the vibration of the air-filter.This vibration is transferred from the joint between the air filter and the car body to the monocoque and then amplified,which leads to the booming noise.Afterwards,the intake system is optimized by adding a Helmholz resonant cavity to reduce the pressure fluctuation.The rubber washer is added at the joint to attenuate the vibration transfer.Finally,the sound pressure level of the booming noise in the monocoque is reduced by 7 dB.

acoustics;booming noise;intake system;road test;CAE method

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.040

1006-1355(2016)06-0202-04

2016-06-20

孫佳（1987-），男，河北省新樂市人，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，主要從事NVH分析與控制研究。E-mail:sunjia87@sina.cn