某SUV低轉速車內轟鳴問題的分析與解決方法

韓炯剛 孫健穎 劉佳 武俊杰

摘? 要：某SUV在加速過程中當發動機轉速在1880rpm時存在明顯轟鳴聲，該轉速段附近為常用轉速段，嚴重影響乘客主觀感受及車輛品質，通過試驗與仿真分析相結合的方法，從噪聲源及傳遞路徑（空氣和結構方面）對轟鳴聲產生的原因進行分析和驗證，確認該轟鳴聲受排氣系統、車身側圍鈑金件和后背門模態共同影響，綜合考慮可實施性與成本，逐一解決，達到消除轟鳴聲的效果。通過試驗與仿真分析，為低轉速車內轟鳴聲的解決提供實際的有限措施，具有較大的工程參考價值。

關鍵詞：轟鳴聲;排氣系統;模態;動力吸振器

中圖分類號：U467.5? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0068-05

Abstract： When the engine of an SUV is speeding up at 1880 RPM， it will has obvious roar. The vicinity of the range of rotating speed is a common rotating speed range. This will seriously influence passengers subjective feelings and the quality of the car. Through the methods of the simulation and experiment， the causes of noise and validation can be analyzed and tested. Confirmed the roar mutual influenced by modal of Exhaust system of the vehicle， Sheet metal parts on the side of the body and the back door. Take a Comprehensive consideration of implementability and cost step by step， eliminating roar can be achieved.

Key Words： low speed roar; Sheet metal mode; Dynamic vibration absorber

1? ? 前言

當今社會汽車逐漸普及，使消費者對車輛的靜態與動態的要求越來越高。車輛的NVH性能是衡量整車性能的重要指標，而轟鳴聲作為NVH性能評價的關鍵項目，在開發過程中應加以避免[1][2]。對于搭載四缸發動機的車輛，低轉速的轟鳴聲大多為動力總成與進排氣系統二階次的激勵傳遞至車身，引起局部鈑金件或結構模態被激發從而引發人耳強烈的壓耳感[3][4]。

本文以開發過程中的某款SUV為例，通過試驗與仿真分析相結合的方法，確認引起車內轟鳴的主要部件，通過排氣系統優化、增加側圍鈑金補強板和后背門動力吸振器三種方案改善車內轟鳴聲。

2? ? 理論分析

階次噪音通常指在旋轉和往復式機械運動中，零部件的結構特性、載荷的變動和運動部件的缺陷會引起振動，并相應地輻射噪聲[4]。

某SUV樣車在起步加速過程中，當發動機轉速在1880rpm附近時，后排乘客可以聽到明顯轟鳴聲，壓耳感嚴重，但前排駕乘人員無此相關感受。通過3檔全油門加速工況采集右后乘客總聲壓級曲線進行階次分析，得到2、4、6階次噪聲曲線，可以看出在1880rpm附近2階次曲線峰值突出，接近66dB（A），緊挨總聲壓級曲線，因此可以判斷該轟鳴產生的主要貢獻量為2階次噪聲，如圖1所示。

由于該SUV搭配四缸四沖程發動機，因而根據其本身固有特性，可以計算出點火頻率為[5]

其中i為噪聲與振動的階次，n為發動機的曲軸轉速，因此可以計算出發動機在1880轉附近2階次噪聲頻率為61Hz。

3? ? 試驗分析

3.1? ?排氣系統噪聲試驗

排氣系統噪聲包括空氣噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲[6]。根據以上理論分析得出的車內61Hz附近轟鳴聲，主要針對發動機在運動的時候產生壓力波進行加速工況內排氣系統噪聲試驗，對這個壓力波在排氣系統中傳播而形成的基頻空氣噪聲進行數據采集分析。

該試驗為排除風噪與輪胎噪聲等外界因素影響，在整車半消聲室進行并用吸隔聲材料屏蔽輪胎噪聲影響。在排氣管口軸線45度，距離50cm處布置麥克風進行噪聲信號采集，試驗照片及采集排氣管口3檔全油門工況噪聲曲線如圖2、圖3所示：

通過對采集的噪聲信號進行處理分析，在2000轉之前排氣系統轟鳴聲嚴重，且1500-1900轉2階峰值突出，與車內噪聲問題頻率對應。

3.2? ?車身試驗

在61Hz頻率附近，車身的左后側圍鈑金與后背門存在模態，對車身側圍鈑金進行模態試驗，如圖4所示，可以看出左后側圍鈑金的Y向存在60Hz模態頻率;同時針對后背門CAE仿真結果，如圖5所示。對后背門進行整體ODS測試實驗，發現在1880rpm附近，后背門左下部分存在明顯局部振型，如圖6所示：

4? ? 優化及驗證

4.1? ?排氣系統優化

對發動機使用GT-Power建模進行仿真優化[7]，建立了發動機各主要部件模型，如圖7所示，模擬加速過程發動機工作情況，并進行優化調整，得出數據。

加速工況優化前后數據及相關參數曲線對比如圖8、9、10所示?？梢钥闯鰞灮螅胍舴重惷黠@降低，由未優化之前試驗范圍的百分之七十五（1000至3000rpm之間）在70db以上，改善為百分之八十五以上為70分貝以下;排氣管口加速噪聲、右后左耳加速噪聲均有顯著降低，并且在測試范圍內，排氣管口噪音大部分有了降低，右后左耳噪聲均有了降低。

4.2? ?車身鈑金件優化

通過對車身左后側圍鈑金增加局部補強板如圖11所示，車內右后乘客左耳1800rpm的2階次峰值降低4dB左右，同時側圍鈑金振動峰值消失，改善明顯，但主觀仍存在壓耳感，不可接受。

4.3? ?后背門安裝動力吸振器

當前動力吸振器技術主要分為主動式、半主動式、被動式吸振三種方式，這三種技術由于所具有的不同優缺點，從而廣泛地應用于不同的領域，而被動式吸振器由于其低成本、高功率密度、高可靠性和對窄頻段具有良好的吸振效果從而廣泛應用于汽車調校領域[8]，將后背門振動過大的局部鈑金視為一個單自由度振動系統，在振動模態較大的中心增加被動式動力吸振器，即可構成一個兩自由度質量振動系統，從而可以有效地抑制該頻率的振動及聲音的輻射，圖14為此振動系統等效模型[9]。

顯然設計吸振器的目標是為了減弱原系統振幅大小。根據主振系統質量和固有頻率選擇吸振器質量，計算質量比μ=m2/m1，并確定最佳頻率比λ=1/（1+μ），從而確定吸振器彈簧剛度k2=m2×ω2。

因此根據此原理，在后背門上振動較大的部分安裝設計的動力吸振器，如圖15所示：

通過加裝動力吸振器，再次進行優化分析，車內右后乘客內耳在1800rpm附近振動峰值改善6dB左右，主觀壓耳音消失。

5? ? 總結

針對某SUV的低轉速轟鳴問題，首先要確定轟鳴聲的特性以找到激勵源，其次通過CAE仿真與實驗相結合方式來確定對轟鳴聲貢獻大的結構部位。在轟鳴聲控制方面，提出優化排氣系統、加強車身側圍鈑金、安裝動力吸振器來削弱結構模態和聲腔模態的耦合作用。通過試驗證明了分析方法的正確性以及控制方法的有效性。為新車開發過程中提供目標值設定依據，推薦主要部件結構頻率及響應的合理性，預測新產品NVH性能，從而大大縮短研發周期，降低開發成本。

參考文獻：

[1]黃海波.基于系統目標決策的汽車NVH設計理論與方法研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[2]薛亮，黃森.汽車NVH技術研究現狀與展望[J].汽車零部件，2013（05）：78-81.

[3]嚴輝，宋飛，王成，陳林.基于傳遞路徑的車內轟鳴聲解析與優化[J].汽車科技， 2017（04）.

[4]李靜波，王暉.階次分析在汽車轟鳴問題控制中的應用[J].汽車工程師，2014（04）：57-59.

[5]佟德純.工程信號處理及應用[M].上海：上海交通大學出版社，1989.

[6]陳慧.某車型排氣系統NVH性能優化研究[D].重慶：重慶理工大學，2018.

[7]劉淑，玉趙，輝李銳.基于GT-Power的汽車排氣系統開發[J].汽車科技，2018（01）：39-43.

[8]背戶一登.動力吸振器及其應用[M].北京：機械出版社.2013.

[9]靳曉雄，張立軍.汽車振動分析[M].上海：同濟大學出版社，2002.