基于逆矩陣法的整車路噪仿真研究

王昱昕　陳馨蕊　賈新建　成傳勝

摘 要：搭建了某SUV的整車模型，通過采集粗糙路面下轉向節加速度響應和仿真得到的輪心到測試點的傳函，應用逆矩陣法提取輪心載荷，進行了路噪性能的預測。仿真的路噪結果與測試結果基本一致，表明該方法精度較高，可以用于項目前期的路噪性能預測和優化。

關鍵詞：整車；逆矩陣法；路噪

中圖分類號：U462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）13-0057-02

1 概述

在人們的消費水平日益增長的同時，對于車的要求也愈加苛刻。如今，NVH性能作為汽車乘坐舒適性的關鍵因素，它給用戶的感受是最直接和最表面的，已成為評判汽車“品質”的重要依據之一。路噪是指道路激勵噪聲（Road Noise），即由于輪胎受粗糙路面的激勵，直接（空氣聲）或由底盤間接（固體聲）傳遞到車廂內部的噪聲[1]。路面不平度激勵引起的振動是車輛所不可避免的，作為車身振動現象的頻率為5Hz～60Hz左右，以車身板件為主產生的振動噪聲在30Hz～300Hz的低、中頻范圍內，這是路面激勵引起車內結構噪聲的主要頻率段，也是顧客容易感受到的頻率段。因此如果能采用CAE技術，在設計階段就預測出車內的噪聲水平，準確快速提出優化方案，進行風險規避，對提高汽車產品的競爭力具有十分重要的意義。

目前整車路噪性能的預測主要有兩種方法。（1）建立模態輪胎，以路面不平度為輸入進行路噪計算[2]；（2）不考慮輪胎系統，以軸頭處的激勵力為輸入進行路噪計算[3]。輪胎是一個非線性很強的結構，由于無法獲取建立模態輪胎模型需要詳細的輪胎內部結構和材料參數，本文將采用方法二，通過“試驗”和“仿真”相結合的方法，基于實車采集的轉向節加速度響應和仿真得到的輪心到測試點的傳函，提取輪心力，進行特定工況下的整車路噪仿真分析及優化。

2 路噪仿真分析方法簡介

整車路噪的仿真流程如下圖1所示。

這套仿真方法將輪心力作為激勵源，得到整車在路面激勵下的車內噪聲響應。在特定的粗糙路面下測量物理樣車轉向節位置的振動信號，由整車有限元模型計算得到輪心到振動測點位置的力-加速度傳遞函數，通過傳遞函數逆矩陣法間接得到輪心力。將四個輪子的輪心力同時施加在整車有限元模型上，即可得到整車路噪。該方法的優勢在于：（1）規避了輪胎高度非線性的影響，提高了仿真的準確度；（2）將懸架系統加入整車路噪的分析及優化過程中，提供更多的優化途徑；（3）路噪分析的頻率一般可達250Hz，如果有限元模型的精度較高，頻率也可以拓展到500Hz。

3 整車路噪仿真解決方案

本文選取某款小型SUV預測其整車路噪性能。

3.1 整車模型搭建及檢查

整車模型共分為Trimmed body、Cavity、Steering System、Powertrain、Suspension五個部分。搭建好整車模型之后，進行整車模態計算，對模型進行初步的檢查及調試，檢查車身連接是否完整，檢查底盤運動關系是否正確。如圖2所示，關注一些典型的整車模態結果，如轉向系統的操縱模態、垂向、橫向模態，懸架系統的HOP、TRAMP模態，動力總成的剛體模態等。從模態分析結果中可以看出，發動機剛體模態相對其他車型略高；轉向系統操控模態低于5Hz，運動關系表現正常；前、后懸架模態13～17Hz，分布正常。車身各連接無誤，底盤系統的運動關系正確，整車模型的質量滿足整車計算的精度要求，可以用于后續路噪分析的求解。

3.2 輪心載荷提取

輪心載荷是通過采集實車轉向節上的加速度信號，結合仿真分析得到的輪心傳遞函數矩陣Hs，利用逆矩陣法反求得到。輪心載荷提取的基本試驗要求如下：

（1）路面類型：粗糙路面；（2）環境條件：試驗應在無雨、雪、冰雹等惡劣天氣下進行，背景噪聲應至少小于被測噪聲10dB；（3）車輛條件：試驗車輛滿足整車技術要求；各總成、部件、附件及附屬裝置（包括隨車工具和備胎）應按規定裝備齊全，裝在規定的位置上，并固定牢靠；（4）車速及檔位條件：檔位應選擇能穩定工作的次高檔，試驗車速為50Km/h。轉向節的振動傳感器布置圖3所示。

選擇駕駛員右耳作為車內響應點，如圖4所示。

計算從各輪心每個自由度（X，Y，Z，RX，RY，RZ）到轉向節測點及車內響應點的傳遞函數，每個輪心6個工況，共24個工況。根據傳遞函數和測試得到的振動信號，計算出每個輪心的載荷。

3.3 整車路噪響應分析

將提取的輪心載荷施加在整車模型上，計算出粗糙路面下的整車路噪結果，并與實驗結果對比，如圖5所示。前排駕駛員右耳噪聲響應仿真結果與測試結果對比，峰值和趨勢接近，仿真中在40Hz出現一個波峰，而測試中未出現；在86Hz處仿真和實驗結果均出現一個噪聲峰值，可作為路噪優化的方向。

經分析得知，40Hz的峰值主要是由于背門的整體模態引起，可以進一步檢查模型中背門的配重，調整密封條、緩沖塊和鎖扣的剛度，與實驗測試的背門模態值對標。

4 結語

規避了高度非線性的輪胎部件，采用試驗與仿真結合的方式，通過轉向節加速度和輪心到測試點的傳函，利用逆矩陣法求取粗糙路面下的輪心載荷，該方法可以獲得中低頻范圍內較為準確的輪心載荷，提高了仿真的準確度。路噪的仿真和測試結果對比，峰值與趨勢接近，吻合程度較高，平均誤差不超過5dB，表明該方法精度較高，可以用于項目開發階段的路噪目標設定、性能預測、問題診斷、結構優化等，為項目研發節約大量的成本。

參考文獻

[1]余雄鷹，劉波，張軍，等.路面激勵導致的汽車低頻轟鳴聲控制及應用研究[C].2015中國汽車工程學會年會論文集，2015，（4）：1825-1827.

[2]Kido， I.， Ueyama， S.， Hashioka， M.， etc. Tire and Road Input Modeling for Low-Frequency Road Noise Prediction[J].SAE Int. J. Passeng.Cars-Mech. Syst.2011，（2）：1277-1282.

[3]Park， J.， Gu， P.， Juan， J.， etc. Operational Spindle Load Estimation Methodology for Road NVH Applications[J].SAE Technical Paper，2001，（01）：1606.