某純電動轎車車內(nèi)轟鳴實驗分析及改進研究

周小明，舒 斌

(江鈴集團新能源汽車有限公司工程研究院，330063，南昌 )

0 引言

純電動汽車作為我國汽車產(chǎn)業(yè)及戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展規(guī)劃對象，在汽車市場上的占比逐漸提升并得到一定使用，人們對純電動汽車的需求不再局限于經(jīng)濟性、動力性，還有舒適性。車內(nèi)轟鳴作為一種低頻噪聲[1-2]，極易引起車內(nèi)人員頭暈、惡心及耳朵不適，嚴重影響乘車舒適性。然而，車內(nèi)轟鳴的產(chǎn)生來自單個或多個零部件激勵引起[3]，純電動汽車與傳統(tǒng)燃油車在結構上不盡相同，為此針對純電動汽車車內(nèi)轟鳴問題各學者展開了一系列研究。目前分析車內(nèi)轟鳴主要從頻率特性及幅值響應著手，采用傳遞路徑分析[4-6]、模態(tài)識別[7-8]等方法查找轟鳴貢獻源，通過在噪聲傳遞路徑上的優(yōu)化、改變激勵響應及改善結構固有特性[9]等形式對車內(nèi)轟鳴進行優(yōu)化。

本文針對某款純電動轎車在勻加速過程中出現(xiàn)明顯車內(nèi)轟鳴現(xiàn)象，利用LMS Test. Lab對車內(nèi)振動噪聲及車身模態(tài)進行測試，加以試驗驗證方式識別出轟鳴主要貢獻源為車身頂蓋。通過HyperWorks軟件建立了車身頂蓋局部有限元模型，并對頂蓋鈑金敷設局部增強材料并對其布局進行多目標優(yōu)化設計，從而改善車內(nèi)轟鳴并提供了一定指導價值。

1 樣車車內(nèi)振動噪聲分析

在樣車駕評過程中反饋，在粗糙路面勻加速工況下具有明顯轟鳴，且后排更嚴重。為判斷該轟鳴下的車速，利用LMS Test. Lab對駕駛員右耳布置聲壓傳感器進行全油門加速采集噪聲頻率特性。圖1所示為全油門加速車內(nèi)駕駛員右耳噪聲頻率隨轉(zhuǎn)速變化關系，同時計算加速過程OA曲線。

圖1 加速車內(nèi)轟鳴頻率特性

從圖1表明，當電機轉(zhuǎn)速達到2 762 r/min時，即車速為50 km/h左右出現(xiàn)明顯轟鳴，且貢獻源主要為36 Hz。

為進一步排查勻速50 km/h時的車內(nèi)轟鳴，對駕駛員右耳及后排外耳采集噪聲頻率，如圖2所示。對比發(fā)現(xiàn)，在低頻段車內(nèi)轟鳴有2個噪聲峰值36 Hz及47 Hz，前排主貢獻為36 Hz，后排主貢獻為47 Hz，且后排綜合噪聲值要大于前排3 dB。該特性與主觀評價結果相一致。

2 轟鳴貢獻源排查分析

純電動轎車整車轟鳴產(chǎn)生原因為車在行駛過程中，電機或輪胎作為激勵源，引起整車結構件局部共振或受迫振動、激發(fā)整車空腔模態(tài)及動力總成懸置隔振率不足。為此從3條路徑上對轟鳴貢獻源進行排查分析。

圖2 勻速50 km/h車內(nèi)噪聲頻率特性

2.1 整車空腔模態(tài)分析

利用HyperMesh對該車TB模型搭建封閉的聲腔有限元模型，即模型中不含座椅及內(nèi)飾結構，如圖3所示。通過OptiStruct求解器對聲腔進行自由模態(tài)計算，得到前5階模態(tài)如表1所示。

圖3 聲腔有限元模型

表1 1～5階聲腔模態(tài)

通過表1可知，聲腔模態(tài)前五階固有頻率均遠大于引起轟鳴對應的頻率，因此可排除聲腔對本車轟鳴產(chǎn)生作用。

2.2 動力總成懸置隔振率分析

本車為前動力總成前驅(qū)，TRA式3點懸置系統(tǒng)。左右懸置對稱連接框梁與縱梁，后懸置連接變速箱與副車架。測試工況為全油門加速工況(0～4 000 r/min)，對3點懸置采集其主被動端X、Y、Z方向振動加速度信號及車內(nèi)駕駛員右耳噪聲信號。如圖4所示，全油門加速過程中0.8階次噪聲在2 700 r/min時通過共振帶36 Hz，在3 500 r/min時通過共振帶47 Hz，表明該激勵對轟鳴具有貢獻，為此對3點懸置進行隔振率排查。

圖4 全油門加速車內(nèi)噪聲

表2為3點懸置主被動段三方向隔振率測試數(shù)據(jù)。通過計算0.8階次下主被動36 Hz及47 Hz隔振率，以及被動端0.8階次振動幅值判別懸置隔振效果。

表2 全油門加速懸置隔振參數(shù)

通過對表2分析可知，3點懸置對0.8階次隔振均未達到15 dB，然而被動端振幅大部分小于等于0.05 g。表明懸置對該階次隔振基本滿足，但該激勵的能量由部分通過懸置傳遞至車身結構。

2.3 結構件排查分析

從本車轟鳴反應的頻率特征可知，需要對可能激起模態(tài)的結構件進行排查分析，為此主要對車身、前艙模塊、頂蓋、機艙蓋及尾門進行排查，通過LMS Test. Lab對其進行模態(tài)測試得到前2階模態(tài)如表3所示。

表3 結構件模態(tài)

從表3可知，頂蓋橫彎引起轟鳴的頻率接近，為此初步懷疑為頂蓋為轟鳴貢獻源。為進一步確定頂蓋是否為轟鳴貢獻源，對頂蓋附加質(zhì)量塊，通過對比方案前后車內(nèi)噪聲與振動幅值是否降低的判斷方式，判斷該結構是否對轟鳴有貢獻。方案前后車速為50 km/h噪聲測試結果如圖5、圖6所示。

圖5 車內(nèi)駕駛員噪聲方案前后對比

圖6 車內(nèi)后排噪聲方案前后對比

研究發(fā)現(xiàn)，在頂蓋附加質(zhì)量后，車內(nèi)駕駛員噪聲整體下降0.5 dB，在20～100 Hz轟鳴敏感頻段噪聲由40.3 dB降至31.6 dB，下降8.7 dB。車內(nèi)后排噪聲整體下降1.5 dB，在20～100 Hz轟鳴敏感頻段噪聲由42.4 dB下降至35.2 dB，下降7.2 dB。綜上表明，頂蓋為轟鳴貢獻源，通過改善頂蓋能有效優(yōu)化本車轟鳴。同時對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化頂蓋駕駛員比后排轟鳴感降低更加有效。

3 車內(nèi)轟鳴噪聲優(yōu)化改進研究

通過上述分析可知，對車內(nèi)轟鳴優(yōu)化可以從多個方向優(yōu)化，對引起0.8階次本體優(yōu)化、對懸置進行優(yōu)化與對頂蓋進行優(yōu)化。本文主要從頂蓋方向?qū)噧?nèi)轟鳴進行優(yōu)化。

3.1 頂蓋優(yōu)化改進研究及測試驗證

從前文所做頂蓋模態(tài)可知，頂蓋局部模態(tài)37 Hz和48.3 Hz 與車內(nèi)轟鳴頻率相耦合，且后頂蓋局部模態(tài)振幅大于前頂蓋局部模態(tài)。針對頂蓋引起轟鳴現(xiàn)象，根據(jù)機械振動原理可知，可以通過增加頂蓋剛度形式，提升頂蓋模態(tài)頻率從而避開轟鳴頻率，通常采用增加頂蓋橫梁與粘貼熱熔增強貼片。同時，也可通過增加阻尼降低振動幅值。考慮到工程實踐可行性及成本，本文主要通過粘貼熱熔增強貼片進行改進研究。

傳統(tǒng)方法敷設增強貼片為通過局部剛度薄弱點確定敷設位置，且對厚度、面積未有明確的概念。本文借助有限元軟件基于模態(tài)應變能法綜合考慮增強貼片敷設位置、形狀及重量因素，對頂蓋轟鳴進行優(yōu)化。

為縮短計算時間，不失準確性地采用頂蓋局部為研究對象，通過CATIA建立頂蓋局部三維模型導入HyperWorks中，然后通過對頂蓋附加增強片屬性建立含增強片有限元模型，以此為基礎計算模態(tài)。計算使用基本參數(shù)如表4所示。

表4 模型計算基本參數(shù)

為了得到精確的計算結果，鈑金件采用殼單元劃分，網(wǎng)格平均尺寸6 mm×6 mm，焊點采用acm焊點單元模擬，焊縫采用penta焊縫單元模擬，粘膠采用adhesives單元模擬。計算得到前5階頂蓋約束模態(tài)，如圖7為頂蓋二階約束模態(tài)，振型為橫彎，頻率為46.1 Hz與測試模態(tài)相吻合，表明本模型滿足計算要求能有效反應實際情況。

為獲知增強貼片的敷設位置，通過計算得到頂蓋模態(tài)應變能，并對應變能大的位置進行附加多種增強片進行驗證。如圖8所示，除橫梁外應變能大的位置為前頂蓋起筋中間位置與后頂蓋起筋中間位置，該位置為增強片重要敷設位置。

圖7 頂蓋2階約束模態(tài)圖

圖8 頂蓋2階模態(tài)應變能云圖

根據(jù)粘貼附著能力和有效性，對增強片厚度選用3 mm進行分析。同時基于模態(tài)應變能法，在保證前后頂蓋應變能最大處敷設條件下，本文對后頂蓋不同形狀增強貼片方案開展研究。圖9給出了在前頂蓋敷設相同增強片狀態(tài)下，后頂蓋敷設僅中心區(qū)域增強片(增強貼片方案a)，后頂蓋敷設雙十字增強片(增強貼片方案b)，后頂蓋敷設中心加強雙十字增強片(增強貼片方案c)和后頂蓋敷設全區(qū)域增強片(增強貼片方案d)4種方案模型。

(a)增強貼片方案a (b)增強貼片方案b

(c)增強貼片方案c (d)增強貼片方案d

表5研究了不同方案用料面積及形狀對頂蓋頻率的變化。

表5 方案用料面積與頂蓋頻率變化

結果表明，不同的敷設形狀對頂蓋模態(tài)頻率影響相差較大，方案a用料面積最小，頻率較基礎有下降，原因為附加的質(zhì)量比增加的剛度對頻率影響更大，增強片單位提升率為-1.36 Hz/m2。方案b頻率提升9.1 Hz，增強片單位提升率為36.4 Hz/m2。方案c頻率提升10.4 Hz，增強片單位提升率為34.6 Hz/m2。方案d頻率提升3.9 Hz，增強片單位提升率為9.3 Hz/m2。從上述反映出不同的敷設形狀相對敷設面積對模態(tài)頻率影響更大，從模態(tài)提升與工程化考慮，選用方案b進行實車驗證。

3.2 實車驗證

對上文提出的方案b進行實車敷設，通過對比敷設前后車內(nèi)駕駛座內(nèi)耳及后排內(nèi)耳位置噪聲值驗證方案有效性。

從圖10可知，頂蓋敷設增強貼片方案后，在勻速50 km/h工況下，引起車內(nèi)轟鳴的頻段有明顯改善。其中，在駕駛員位置較原狀態(tài)37 Hz下降12.4 dB(A)，48 Hz下降13.6 dB(A)。后排位置37 Hz下降4.4 dB(A)，48 Hz下降4.3 dB(A)。表明本文通過對頂蓋敷設增強貼片方法對勻速車內(nèi)轟鳴有明顯改善。

(a) 勻速50 km/h駕駛員車內(nèi)噪聲頻率特性

(b) 勻速50 km/h后排車內(nèi)噪聲頻率特性

從圖11可知，頂蓋敷設增強貼片方案后，在全油門加速工況下，轟鳴頻段有明顯改善。

(a) 全油門加速車內(nèi)駕駛員位置噪聲對比

(b) 全油門加速車內(nèi)后排位置噪聲對比

4 結束語

1)針對本純電動轎車車內(nèi)轟鳴問題，結合轟鳴噪聲特性，提出從激勵源動力總成，響應源結構件進行查找轟鳴頻率排查方法。

2)通過對頂蓋進行增強貼片，對引起車內(nèi)轟鳴的頻段進行了有效優(yōu)化。同時經(jīng)過實車驗證，車內(nèi)轟鳴有了明顯改善。

3)本文提出基于模態(tài)應變能的敷設方法基礎下，對敷設位置和形狀目標進行了討論，通過設計最佳的敷設方式，本方法能有效地滿足性能要求及開發(fā)成本，具有良好的工程運用及指導價值。