某輕型客車加速轟鳴問題優化分析

胡顯能，彭 榮，李 軍，徐高新，陳慈龍，鐘秤平

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001；2.江西省汽車噪聲與振動實驗室，江西 南昌 330001）

隨著現代生活水平的提高，消費者對汽車的要求不再局限于純粹的代步工具，越來越多的消費者開始關注汽車的駕駛樂趣和乘坐品質，而汽車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能在行駛過程中能夠給予消費者最直觀的感受，因此，NVH性能已逐漸成為評價汽車品質的重要指標。

汽車噪聲振動通常分為正常噪聲振動和異常噪聲振動，在控制汽車NVH性能過程中，除了需要運用傳統的方法對正常的噪聲振動進行優化外，還需要采用合適的方法對異常噪聲進行抑制。異常噪聲產生的原因較復雜，既有零部件質量的原因，也有其他設計方面的原因。為解決不同類型的異常噪聲，國內研究學者已針對該問題進行深入研究分析。謝旭等針對某車型加速聲品質差的問題，將階次分析法和模態試驗分析方法相結合，通過對副車架結構的優化，從而實現對整車加速車內聲品質的優化；王雙等針對開發車型中存在加速轟鳴音問題，運用傳遞路徑分析方法確定問題來源于懸置系統，并對懸置系統進行優化，最終實現車內聲品質的優化。

本文針對某輕型客車開發階段，全油門加速工況下2 900 r/min～3 200 r/min轉速附近車內存在轟鳴問題進行研究。確定引起加速轟鳴問題的原因，并結合計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析方法對引起轟鳴問題的結構進行優化，提出可工程化的解決措施，從而實現對加速轟鳴問題的改善。

1 問題描述

樣車開發階段，在對整車主觀駕駛評價的過程中，發現在全油門加速工況下，當發動機轉速在2 900 r/min～3 200 r/min附近時車內存在明顯的轟鳴噪聲，嚴重影響整車行駛過程中的乘車品質。為識別引起加速轟鳴的原因，采用西門子工業振動、噪聲測試設備（LMS）對加速過程中試驗樣車主駕駛員外耳的噪聲數據進行采集并分析，測試過程中的工況為五擋全油門加速工況。測試分析得出主駕駛員外耳的噪聲曲線如圖1所示。

圖1 加速過程中車內前排噪聲聲壓級測試結果

根據圖1的測試結果可知，當轉速在2 900 r/min～3 200 r/min附近時駕駛員外耳噪聲總聲壓級隨轉速變化趨勢與發動機二階噪聲聲壓級隨轉速變化趨勢相吻合，確定加速轟鳴噪聲與發動機激勵相關；且在怠加速工況下，車內轟鳴問題同樣存在，排除動力傳動系與轟鳴問題之間的聯系。初步判斷為整車上某附件與發動機二階激勵頻率共振放大引起車內轟鳴問題。

為識別出引起轟鳴的問題頻率，根據旋轉機構轉速與頻率關系計算問題頻率。旋轉機構轉速與頻率之間的計算式為

式中，為頻率，Hz；為轉速，r/min；為階次。

試驗樣車搭載的為四缸四沖程的發動機，依據相關的參數計算得出引起加速轟鳴的問題頻率為96 Hz～107 Hz。

2 問題排查及分析

前期排查過程中，分別斷開空調管路、端起空濾以及斷開排氣吊耳等方案，車內轟鳴均無明顯優化。初步判定加速轟鳴問題與空調管路以及進排氣系統無關。

聲音的傳遞方式分為結構傳遞和空氣傳遞。結合前期排查的結果以及引起問題的頻率，可以確定轟鳴噪聲的傳遞方式為結構傳遞。因此，為識別出引起加速轟鳴的結構件，分別對懸置系統以及車身系統這兩條傳遞路徑進行排查。

2.1 懸置傳遞路徑分析

懸置系統是汽車動力總成與車身系統連接的主要橋梁，同時也是將發動機工作產生的噪聲、振動傳遞至車內的主要傳遞路徑。因此，為確定加速轟鳴問題與懸置系統是否有關系，需要對懸置傳遞路徑進行排查。

試驗樣車動力總成布置方式為縱置布置，且懸置系統布置方式為三點式，分別在發動機左、右懸置以及變速箱懸置的被動端布置三相振動傳感器，同時車內主駕外耳布置麥克風；測試五擋全油門加速工況下的噪聲振動數據，得到的數據曲線如圖2所示。

圖2 加速工況下車內噪聲及懸置被動端振動頻圖

由圖2的車內噪聲及懸置系統被動端振動的頻譜圖可知，發動機變速箱懸置被動端的振動與車內噪聲無明顯對應關系，僅發動機左右懸置被動端向振動與車內噪聲曲線存在一定的對應關系，說明發動機左、右懸置可能是潛在的影響因子。

為進一步確認加速轟鳴是否由發動機左、右懸置傳遞路徑引起，分析各懸置隔振的水平，結果如圖3所示。

圖3 發動機左右懸置主、被動端隔振量曲線結果

根據圖3的分析結果可知，加速過程中發動機左、右懸置主被動端向隔振量均達到目標隔振量20 dB，進而排除發動機左、右懸置是引起加速轟鳴的關鍵因素。

2.2 車身橫梁傳遞路徑分析

車身結構附件固有頻率與發動機激勵頻率耦合共振放大是引起汽車加速轟鳴問題的重要原因之一。根據以往車身附件固有頻率測試的經驗，對試驗樣車的車身前保橫梁進行排查分析。

為辨別加速轟鳴問題是否由車身前保橫梁與發動機激勵頻率耦合共振引起，對測試加速過程中車身前保橫梁的振動數據以及車內的噪聲數據進行分析，結果如圖4所示。

圖4 車內噪聲及車身前保橫梁振動曲線圖

圖4的分析結果表明，車身前保橫梁的振動數據與車內噪聲存在一定對應關系。為進一步判斷車身前保橫梁是否導致加速轟鳴的關鍵因素，在車身前保橫梁上加10 kg重量的磁鐵進行驗證，車身前保橫梁附加質量如圖5所示。測試分析得到的結果如圖6所示。

圖5 車身前保橫梁加磁鐵附圖

圖6 加磁鐵前、后車內噪聲及橫梁Z向振動對比

圖6中實線為基礎狀態測試結果，虛線為橫梁加磁鐵狀態測試結果。對比兩種狀態的測試結果可知，附加磁鐵后在2 900 r/min～3 200 r/min轉速區間車內噪聲總聲壓級以及二階噪聲聲壓級相較于基礎狀態優化了5 dB(A)～6 dB(A)，橫梁向振動相較于基礎狀態降低了0.1～0.2；且主觀評估轟鳴問題優化明顯可接受，進而鎖定車身前保橫梁為導致轟鳴問題的關鍵因子。

2.3 響應分析

為能夠從工程化的角度進一步優化該問題，仍然需要識別車身前保橫梁的固有頻率以及其它響應的附件。

對車身前端進行模態測試，同時對左前車門板中心、擋風玻璃中心到車內的噪聲傳遞函數（Noise Transfer Function, NTF）進行測試，結果如圖7和圖8所示。

圖7 試驗樣車前端模態振型圖

由圖7、圖8的測試結果可得，車身前保橫梁在104 Hz附近存在局部向彎曲的模態，而且左前門及前玻璃處存在105 Hz附近的響應頻率。進而識別出加速轟鳴的傳遞路徑為源頭（發動機）—路徑（車身前保橫梁—前玻璃和左前門）—響應（車內噪音）。

圖8 激勵左門、擋風玻璃到車內的噪聲頻響測試結果

3 轟鳴問題優化

3.1 工程方案的提出

因車身前保橫梁涉及安全法規等問題，直接提升剛度來改變固有頻率存在一定安全風險，所以需要借助動力吸振器弱化問題頻率的能量，來間接優化加速轟鳴問題。但直接在車身前保橫梁安裝動力吸振器會存在因安裝點剛度不足而導致動力吸振器安裝的頻率與實際設計頻率差異較大，不能達到弱化問題頻率能量的效果。

為滿足要求，需要在安裝動力吸振器之前提升車身前保橫梁的局部剛度，使得動力吸振器的整車頻率達到問題頻率，動力吸振器才能起到減振作用。因此，初步的工程方案為在車身前保橫梁內部局部點焊加強焊板，并在加強處安裝整車頻率為（99.5±5.5）Hz的動力吸振器。

3.2 仿真分析

為驗證車身前保橫梁局部加強提升動剛度的有效性，借助CAE對優化后的結構進行仿真分析。CAE分析中車身前保橫梁局部加強的結構以及結構加強后原點動剛度仿真分析結果如圖9所示。

圖9（b）中實線為基礎狀態橫梁原點動剛度CAE分析結果，虛線為橫梁局部結構加強狀態橫梁原點動剛度CAE分析結果。對比兩次分析結果可得，局部加強后原點動剛度相較基礎狀態得到顯著的提升，尤其是在100 Hz以后，進而驗證車身前保橫梁局部加強對于原點動剛度的提升具有一定的可行性。

圖9 局部結構加強附圖及原點動剛度分析結果

3.3 試驗分析及驗證

為驗證CAE仿真分析結果與整車加強效果是否具有一致性，在試驗樣車車身前保橫梁局部加強的基礎上安裝95 Hz的動力吸振器，并采用敲擊法測試該動力吸振器的頻響曲線，測試附圖如圖10所示，測試結果如圖11所示。

圖10 動力吸振器頻響測試附圖

圖11 動力吸振器頻響測試結果

根據動力吸振器頻響曲線的測試結果表明，動力吸振器安裝在整車上的頻率與實際頻率相吻合，驗證仿真分析結果與實際加強效果的一致性。

為進一步驗證車身前保橫梁結構優化對于改善加速轟鳴問題的有效性，進行實車道路試驗驗證，采集五擋全油門加速工況下車內的噪聲數據，并與基礎數據進行對比，結果如圖12所示。

圖12 優化前后車內噪聲對比結果

圖12(a)中1、2號線分別為基礎狀態下車內整體噪聲和二階噪聲測試結果，3、4號線分別為優化狀態后車內整體噪聲和二階噪聲測試結果。對比分析兩種測試結果可知，優化后的車身前保橫梁結構在配合動力吸振器的作用對加速過程中車內的轟鳴噪聲進行了改善，其中在2 900 r/min～3 200 r/min轉速區間內車內整體噪聲聲壓級和二階噪聲水平均優化約5 dB（A），且乘員主觀駕評完全可以接受，進而驗證本研究加速轟鳴優化方法的有效性。

4 結論

（1）采用源、傳遞路徑以及響應分析方法，確定引起加速車內轟鳴問題的原因是由車身前保橫梁的固有頻率與發動機二階激勵頻率共振引起。

（2）針對車身前保橫梁不滿足動力吸振器安裝剛度要求的問題，提出在動力吸振器安裝區域進行局部點焊加強焊板來提升剛度；并綜合CAE仿真結果和實際測試結果進行分析，驗證該方法的可行性。

（3）通過對實車道路測試進行驗證，結果表明本文提出的加速轟鳴優化方案相較于基礎狀態，車內整體噪聲聲壓級以及車內二階噪聲聲壓級均有約5 dB（A）的優化，且主觀可以接受。