某SUV車內低頻轟鳴聲問題分析與優化

吳文棟 馬紫輝 劉志恩 趙紅飛

摘要：以某車型車內轟鳴聲為例，分別從激勵源、響應點和傳遞路徑3個角度進行分析，得出轟鳴聲由傳動系統扭振激勵，通過車身與尾門的連接，使激勵頻率與尾門內板呼吸模態強耦合，最終通過優化尾門與車身的連接，對尾門板件加槽鋼，內外板問增加支撐螺栓，改善了車內低頻轟鳴聲，為快速解決汽車車內低頻轟鳴聲問題提供一種新思路。

關鍵詞：車輛振動與噪聲;低頻轟鳴聲;尾門;模態

中圖分類號：U467.493DOI：10.16375/j.cnki，cn45-1395/t，2020.02.012

0引言

車輛噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）即NVH在駕乘舒適性中成為關鍵的競爭焦點，各大汽車生產商及相關零部件供應商均加大對NVH的研發，汽車噪聲包括發動機噪聲、風噪、子系統異響等，而轟鳴聲是經常出現的問題之一，車內的低頻轟鳴聲會給駕乘者帶來主觀上明顯的壓耳感，從而引起焦躁不安的情緒甚至頭暈惡心的身體反應。

國外對于振動噪聲問題的關注相對較早，1966年，Gladwell等首次將有限元運用于噪聲問題的計算，2002年，Lee等搭建了車架一發動機系統的有限元模型，最終優化懸架剛度等參數，使發動機傳遞到車身的激勵明顯減小，有效降低了車內低頻噪聲，Jalili使用半主動控制方法成功減低了低頻噪聲，2011年，Shung等將車身結構與聲腔有限元模型進行耦合，研究了路面和傳動系統的激勵，計算了聲壓峰值的模態參與因子后，針對性的對模型進行了優化，在針對汽車噪聲優化方法中，主要有兩種，一是對車身表面進行阻尼處理，二是直接改進車板件結構，兩種方法均在工程中得到了廣泛的應用，在國內，吉利大學趙榮寶等嘲較早地對車內噪聲進行了研究，他們概括了聲一固耦合的理論方法，指出添加吸聲材料對降低低頻噪聲的效果不理想，主要是由于車內主要噪聲為車身結構振動向車內輻射的低頻噪聲，重慶大學施磊使用理論與試驗相結合的方法對噪聲問題進行了深入研究，求出了聲一固耦合模型在發動機、路面、傳動系統等激勵下的聲學響應，通過分析，有針對性地對車身結構進行優化，江蘇大學吳楨等分析發現頂棚是引起噪聲的主要板件，對頂棚加阻尼達到了降低噪聲的目的。

現有的研究中，主要是基于仿真來進行噪聲問題的排查和解決，基于試驗、系統性且快速查找到引起噪聲因素的研究較少，針對車內噪聲問題，通過系統性分析，均能解決振動噪聲問題，車內加速低頻轟鳴聲是整車NVH性能的一個重要評價指標，本文對某自主SUV在開發過程中出現的加速轟鳴聲過大問題進行了詳細的試驗與分析，按照激勵源、響應分析、傳遞路徑分析思路進行了問題的排查確認，對噪聲問題進行系統性分析，提高了效率。

1尾門引起的轟鳴聲

1.1尾門轟鳴聲產生機理

車輛乘坐室的壁板筋是由鋼板沖壓焊接而成，具有自身結構的振動模態，空氣作為彈性體在乘坐室封閉的空腔體內會形成許多振動模態和聲腔模態，當腔體內的空氣受到壓縮時，會發生體積變化，與乘坐室壁板的結構振動在低頻范圍內有很強的耦合作用，這種低頻的耦合模態在激勵力下如果響應很大，便會在車內產生很高的壓力脈動，引起駕乘人員的不舒適感，這種現象被稱為轟鳴聲（boomjng），轟鳴聲為低頻噪聲，按照激勵種類可分為：動力總成產生的轟鳴聲，主要集中在25～200Hz，對于常用的直列四缸四沖程發動機，主要由發動機二階不平衡量引起車身結構振動與腔體模態耦合產生的，路面行駛轟鳴聲，頻率范圍為30～50Hz，由輪胎徑向剛度變化、偏心以及路面沖擊產生，排氣系統轟鳴聲，由排氣管道中不穩定的氣流對管道產生沖擊引發排氣系統共振產生。

轟鳴聲產生的因素有：激勵源、乘坐室壁板結構振動輻射噪聲以及車內空腔聲腔模態與車身壁板振動模態耦合一般，車內低頻噪聲主要是由于車身板件振動向車內輻射的結構噪聲，傳遞路徑主要是車身板件等固體板件;因此，對低頻段噪聲的控制，可以對汽車板件振動進行針對性控制，從而有效控制車內的低頻噪聲，尾門轟鳴聲的產生，主要由于其模態被激起導致，當尾門相鄰模態較接近或者激勵源頻率及別的子系統頻率與尾門模態頻率相近時，尾門模態就較容易被激勵起來，使其產生共振，進而產生輻射噪聲。

1.3尾門轟鳴聲優化方案

對尾門NVH問題的查找，一般可通過增加質量、阻尼及尾門板件剛度前后的噪聲振動數據來對比驗證，由在任意坐標下的響應式（9）可知，要使尾門模態解耦，可以從尾門剛度、質量和阻尼入手。

目前常用調整尾門模態的方法，主要有以下幾種：

1）增加剛度：在尾門內側增加板金或者支撐梁，使其模態增加;

2）增加阻尼：在尾門模態振動峰值的板金處增加阻尼，使其共振峰值減低，衰減其振動響應;

3）增加動力吸振器：動力吸振器的頻率與尾門模態頻率相近，使其振動峰值由一個較大峰值變成兩個較小峰值，從而減低尾門產生的噪聲;

4）增加質量：在尾門關鍵位置上增加質量，有利于尾門模態的降低，

上述4種方法可以綜合運用，更加利于尾門問題的排查及尾門的優化，

2某SUV低頻轟鳴聲問題分析與優化

2.1問題描述

某SUV（Sport Utility Vehicle）車型在3檔全油門工況加速至1150r/min附近時，駕駛員內耳數據如圖1所示，車內產生明顯的低頻轟鳴聲，從而使駕乘人員產生頭暈惡心等感覺，主觀上無法接受。

2.2問題排查

如前文所述，該低頻轟鳴聲問題主要從激勵源、傳遞路徑、響應3個角度進行分析。

2.2.1激勵源分析

汽車轟鳴聲激勵源主要包括動力傳動系統和路面-輪胎激勵，對于動力系統的排查，可通過排查進排氣及監控懸置系統振動數據確認;傳動系統、路面及輪胎的激勵，需監控懸架系統振動數據。

1）進排氣系統排查

因進排氣系統直接與發動機相連，分別對斷開排氣吊耳和進氣安裝點、屏蔽尾管噪聲、屏蔽進氣口噪聲進行驗證，發現進氣、排氣系統對該峰值影響不大，說明激勵源不在進排氣系統上。

2）懸置及輪心排查動力系統和路面與輪胎激勵主要是通過懸置及輪心懸架傳遞到車內，現對懸置及輪心進行排查。

在對懸置及輪心進行排查的過程中，發現左、右、后懸置被動側在1150r/min附近都存在峰值，但是懸置主動側卻沒有峰值，說明該峰值與懸置無關，如圖2所示，而左前輪心和右前輪心振動數據在轉速為1150r/min附近均存在峰值，且與發動機2階次相關，故排除路面一輪胎激勵，如圖3和圖4所示，由此確認轟鳴聲激勵源為傳動系統扭振激勵。

2.2.2響應分析

在車內前排布置麥克風，工況為三檔全油門工況進行原始數據采集分析，得出轉速在1150r/min附近產生的噪聲峰值為發動機2階引起，測試結果如圖1所示，根據旋轉機構轉速與頻率關系：

參考同一平臺的項目車型，車身板件模態頻率范圍在34-50Hz之間，故對車身板件進行模態測試，結果發現尾門內板呼吸模態頻率為38.6Hz，如圖5所示，而后綜合排查白車身的各個模態發現，在42.6Hz處尾門框產生菱形變形模態，如圖6所示。

兩者模態頻率相差較近，依據項目經驗，存在共振的風險，

由于該車型車內聲腔模態頻率大于50Hz，故排除車內聲腔模態與尾門模態聲固耦合產生共振而發出的噪聲，所以車聲響應點為尾門內板，初步分析認為尾門內板呼吸模態與傳動系統扭振激勵模態耦合，而尾門內板呼吸模態頻率38.6Hz與尾門框菱形變形模態頻率42.6Hz相差較近，有耦合的可能，使尾門響應被進一步放大，進而產生輻射噪聲。

2.2.3傳遞路徑分析

由于尾門是通過有鉸鏈與車身連接，并通過彈性緩沖塊及門鎖固定在車身上，限制其位移，故其傳遞路徑經過鉸鏈、緩沖塊及門鎖處。

現分別對尾門鉸鏈安裝點、限位塊以及鎖扣安裝點振動進行監控，通過監控對比三處的振動大小，可確認主要的傳遞路徑，測試結果如圖7所示，鎖扣及限位塊安裝點在轉速為1150r/min附近存在較大的振動峰值。

為確保傳遞路徑的準確性，需對車內噪聲進行進一步確定認證，分別拆除鎖扣及限位塊驗證其對車內噪聲的影響，發現拆除鎖扣或限位塊后，車內噪聲峰值在1150r/min時都有明顯下降，如圖8所示，從而確認尾門鎖扣及限位塊為主要傳遞路徑，

2.3問題確認

由于尾門框結構數據已經鎖定，更改成本較高，現主要從尾門響應點角度進行確認及優化，為準確確認響應點問題，需快速改變尾門模態來確認認證，因需快速確認響應點問題，對尾門板件響應較大的地方加質量塊進行快速驗證，效果如圖9和圖10所示，通過對比測試數據，得出如下結論：加2個質量塊（每個質量塊重3.75kg）基本可以消除該峰值。

由圖10結果驗證該車產生的低頻轟鳴聲為尾門內板模態在問題車速下激烈振動而產生的輻射噪聲，

綜上，通過對低頻轟鳴聲在激烈源、響應點分析和傳遞路徑分析得出：該低頻轟鳴聲由傳動系統扭振激勵，通過輪心懸架系統傳遞到車身，再由車身通過鎖扣和限位塊傳遞給尾門，使傳動系統扭振激勵頻率38.3Hz與尾門內板呼吸模態頻率38.6Hz耦合，使尾門產生激烈振動，進而產生輻射噪聲，即低頻轟鳴聲，

2.4方案優化

結合項目經驗及工程實際，考慮到后期更改激勵源即傳動系統一般比較棘手，故主要從傳遞路徑和響應點兩方面進行考慮，針對傳遞路徑的優化，優化方案為通過調軟限位塊及橡膠塊來降低傳遞到尾門上的激勵力;針對尾門響應，由前文所述，改進方向有：增加質量、剛度或動力吸振器，綜合考慮成本、輕量化和方案實施難易程度，首選方案為在尾門呼吸模態響應處增加槽鋼以及內外板間增加支撐螺栓以增加尾門剛度，降低尾門的響應，同時也增大尾門模態頻率值，為快速確認方案的可行性，對尾門加槽鋼前后狀態用HyperWorks軟件進行仿真分析，結果如圖11、圖12所示，由原狀態尾門實驗模態頻率38.6Hz與仿真模態頻率40.41Hz對比相差在5%以內，說明模型搭建的準確性;由表1得出，通過優化方案，尾門內板呼吸模態頻率可提高到44.25Hz，與激勵源扭振模態頻率38.3Hz實現解耦。

緊接著進行實車驗證，通過在尾門玻璃下側內板焊一條尾門內板輪廓貼合的槽鋼，并且在內外板間增加兩支撐螺栓，提高尾門剛度和模態，降低尾門的響應，由模態仿真分析得出，尾門加槽鋼后，尾門模態頻率增加了3.84Hz，說明優化措施即模態的增加主要由尾門剛度提高引起，如圖13所示，

由圖14可以看出，優化后的方案相比于原狀態，在發動機轉速為1150r/min附近，車內總聲壓級改善了4dB（A），發動機2階次改善了5.5dB（A），優化效果顯著，方案可行，低頻轟鳴聲主觀上可接受，由此可以確認該低頻轟鳴聲為激勵頻率與尾門內板呼吸模態頻率耦合導致。一旦改進尾門內板結構，使內板呼吸模態頻率提高到44.25Hz，轟鳴聲降低了4dB，說明尾門內板呼吸模態與激勵源強相關，而尾門門框菱形變形模態與激勵源弱相關，故其對轟鳴聲的影響相對較弱，可忽略不計。

3結論

針對某SUV加速工況車內低頻轟鳴聲問題，結合傳遞路徑分析，通過激勵源、傳遞路徑、響應點三方面查找問題并提出有效的整改方案，并得到以下結論：

1）提出了一種快速解決車內低頻轟鳴問題的思路，即激勵源、響應分析和傳遞路徑分析互相結合的分析方法，提高了效率。

2）實驗與仿真的結合運用，可快速驗證方案的可行性，

3）通過使尾門剛度加強，使尾門與激勵源解耦，同時降低尾門振動響應，獲得了一種由尾門引起車內低頻轟鳴聲的優化方案。

4）對尾門引起的車內低頻轟鳴聲有一定的指導意義，

5）未對激勵源即傳動系扭振進行深入分析，下一步可對傳動系扭振進行深入研究，從激勵源根源處解決加速低頻轟鳴聲問題。