輕卡駕駛室振動及聲學環境分析

徐從新

摘要：NVH特性作為消費者體會最為直接和表面的汽車特性之一，在汽車的開發研究和實際生產中，扮演著極其重要的角色。研究車內噪聲情況，對企業來說有著較強的經濟利益，對消費者而言，人體的健康是重中之重。隨著計算機技術的迅速發展，使得產品在設計和試制階段，針對車內噪聲方面進行研究，并達到有效地控制噪聲的目的。

關鍵詞：輕卡駕駛室；試驗測試；振動；聲學環境

駕駛室的振動是影響整車動態特性與駕駛舒適性的一個重要指標。對于輕卡而言，整車的舒適性主要針對駕駛室而言的。在駐車狀態下，某輕卡樣車發動機升速至2 500 r/min 附近時，人體主觀感覺該樣車駕駛室有明顯的振動現象。由于這種振動發生在常用車速范圍內，因此必須加以控制。引起駕駛室振動的因素是多方面的，如何找出振動的原因是一個較為復雜的問題。

一、概述

1.輕卡的動力總成懸置系統。發動機大都通過彈性支承安裝在車架上，這種彈性支承又稱為懸置。動力總成懸置系統是指連接動力總成（包括發動機、離合器、變速器等）與車架間的一切彈性支撐的總和。該輕卡樣車動力總成懸置系統采用三點支撐，即2 個前懸置（分別稱左前懸置、右前懸置）和1 個后懸置。并稱與發動機相連的上支架為主動端支架，與副車架相連的下支架為被動端支架。對于機械系統采取隔振措施，都有一個如何評價隔振效果的問題。通常是將采取隔振措施前后結構的某個振動量做比較，以此評價隔振效果。測量動力總成懸置系統的隔振效果時，通常選擇懸置安裝點和車內座椅滑槽附近的振動量為評估對象。理論上認為，以總的穩態振動能量或表面平均振動能量密度來評價一個結構體的振動是最為合適的。隔振量是指發動機的激勵經過懸置傳遞到車身后振動能量衰減的大小。振動能量衰減越大，則隔振量越大，即說明懸置的隔振效果越好。但振動能量在實際中無法直接測到。由于加速度傳感器靈敏度高、頻率范圍寬、線性動態范圍大、被測信號較強等優點，因此加速度被廣泛作為直接測量對象。并且，在某種假設下，經測量得到的加速度均方值正比于平均振動能量密度。因此，通常直接測量懸置支架主動端和被動端的加速度來求出隔振量。

2.輕卡振動的傳遞路徑分析。傳遞路徑分析法是一種基于試驗的振動與噪聲分析方法，可解決激勵源―路徑―響應的振動噪聲問題。該方法是一種通過分析主要振動的來源，以便于進行系統有的放矢改進設計的方法。因此，對改善汽車NVH性能更具有針對性。就該輕卡樣車而言，駕駛室的激勵源主要有路面激勵和發動機激勵。由于樣車是處于駐車狀態，因此其主要的激勵源來自發動機的振動。若要降低發動機的振動對駕駛室的影響，最有效的辦法是調整傳遞路徑上的部件參數，達到減振與隔振的目的。因此，須首先從發動機激勵源開始，對該樣車動力總成懸置系統的隔振效果進行測試。

二、輕卡駕駛室振動及聲學環境分析

1.試驗測試及結果分析。一是測試儀器。測試儀器主要有7 個三向加速度傳感器、轉速表和BBM振動噪聲數據采集儀及配套的分析軟件。二是試驗工況的定義和選擇在整個試驗中有著相當重要的地位。試驗工況的選擇要能夠反映出動力總成懸置系統在正常的駕駛工況中的隔振效果。其中，怠速工況是常見的駕駛工況，此工況下人體對車內的振動噪聲最為敏感。升降速工況主要體現駕駛車輛時的加速和減速，此工況的測試可以反映出動力總成懸置系統在發動機大扭矩輸出下的各項性能。而原地升速工況是在整車不能外出試驗又沒有轉鼓試驗臺時代替正常加速工況。摸底測試的測試工況主要是選擇怠速工況和原地升速工況這兩種工況。三是結果分析。怠速工況下，對于車內測點，一般要求各向振動加速度值均方根總和不要超過0.4 m/s2。故怠速時車內的振動滿足要求。由以上分析可知，通過振動傳遞路徑分析和摸底測試，初步診斷出輕卡樣車駕駛室振動的原因是由于動力總成懸置系統的橫向隔振不理想所致。發動機工作產生的不平衡力或力矩，經動力總成懸置系統幾乎全部傳遞至前副車架，進而引起駕駛室的振動。

2.駕駛室NVH 仿真模型的建立與驗證。為了還原輕卡駕駛室在實際工作中的數學行為特征，給后續的仿真分析提供基礎，應首先建立輕卡駕駛室有限元模型。輕卡駕駛室結構有限元模型利用有限元軟件建立，輕卡駕駛室聲腔有限元模型利用建立，并分別進行模態分析，運用軟件將駕駛室結構有限元模型和聲腔有限元模型耦合。在耦合模態中，結構變形會影響聲壓分布，聲壓變化也會影響結構振動，所以需要對輕卡駕駛室結構- 聲腔耦合模型進行模態分析。利用LMS Virtual.Lab 對駕駛室的耦合模態進行疊加運算，駕駛室結構計算模態和試驗模態對應固有頻率相對誤差在10% 以內，能夠反映實際駕駛室結構振動固有特性，可以用作 NVH 特性分析。將駕駛室耦合模態與對應的駕駛室結構模態對比可知，結構與聲腔在模態分析中會產生相互作用，對駕駛室內聲壓分布產生影響，所以在對駕駛室聲場的預測過程中采用駕駛室聲固耦合有限元模型。

3.駕駛室NVH 特性分析。為了研究輕卡駕駛室 NVH 特性，以駕駛室與駕駛室懸置連接處的激勵信號作為激勵，利用有限元的方法對駕駛室振動和聲學狀態進行分析。分別對駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁的聲壓級分布情況進行仿真，分析車身結構板件聲學貢獻量。輕卡駕駛室懸置上端振動為駕駛室振動的直接激勵源，因此對駕駛室與這四個懸置的連接處施加激勵。選取頻率范圍0-400Hz 的模態參與計算，模態阻尼比為1%。選取頂棚中央前部、頂棚中央后部、前圍中央、后圍中央、駕駛員側地板、副駕駛側地板、右側后地板、左側后地板這8個節點作為響應點，提取在這些位置處振動響應情況，作出8 個響應點各方向的位移響應曲線和加速度響應曲線。主要原因是頂棚面積大，缺少加強部件，因此在激勵下容易發生較大的振動。因此可以通過在頂棚振動峰值處加強部件布置的方法有效改善其振動情況。利用已建立的駕駛室聲固耦合模型，通過 Acoustics 模塊仿真預測車內聲場的響應。對駕駛室車內聲場的預測采用計權聲壓級來表示，將采集到的聲信號進行修正，使數據更加符合符合人耳對聲音的主觀感覺。在分析隨機激勵下耦合聲場的響應時，在駕駛室與四個懸置連接處分別施加駕駛室懸置上端三個方向的力信號，依據聲學- 汽車車內噪聲測量方法中傳聲器位置選擇聲壓檢測點位置，利用聲學有限元模塊來預測車內的聲場。駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁計權聲壓級曲線趨勢基本一致，其中駕駛員右耳旁最大聲壓級出現在57Hz 處，頂蓋的振動較大，為主要噪聲源。副駕駛左耳旁最大聲壓級出現在92Hz 處，頂蓋橫梁處以及前圍左下方的振動較大，為主要噪聲源。為了驗證仿真的正確性，以駕駛員右耳旁為例進行實測，與仿真結果進行比較，發現仿真結果和試驗結果基本一致。在輕卡駕駛室中，各個板件和區域都會對駕駛室聲場產生不同聲壓貢獻量，所以優化駕駛室的聲場需要進行駕駛室聲學板塊貢獻量分析。將駕駛室劃分為前擋風、前圍板、左側車門、左側車窗、頂蓋、右側車門、右側車窗、后圍、后地板、前地板10 個板件，通過適當增加板件厚度，調整頂蓋加強筋位置，加強車門與地板之間的連接關系等方法，可以達到改善駕駛室聲學環境的效果。因考慮輕量化問題，板件厚度不可過度增加。

為了優化輕卡駕駛室的聲學環境，本文以輕卡駕駛室為研究對象，在不改變懸置模具的情況下，通過改變懸置橡膠材料的邵氏硬度，有效控制了該輕卡樣車駕駛室的振動。

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