某SUV因排氣系統引起的蠕行轟鳴分析與優化

張紅川

某SUV因排氣系統引起的蠕行轟鳴分析與優化

張紅川1,2

（1.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；2.河北省汽車技術創新中心，河北 保定 071000）

某運動型多用途汽車（SUV）在整車性能驗證階段，主觀評價D擋開空調蠕行行駛車內前排轟鳴明顯，且地板伴有明顯振動，發動機轉速約930 r/min。通過分析實測數據發現，頻譜曲線31 Hz處存在明顯峰值，回放濾波聽音確認該頻率為問題頻率。通過排氣尾口加大消聲器或斷開排氣吊鉤，確認排氣系統為引起蠕行轟鳴的根本原因。結合傳遞路徑排查和計算機輔助工程（CAE）分析，最終確定該問題是由發動機二階振動與排氣系統31.5 Hz垂向彎曲模態耦合引起的。根據源-路徑-響應原理，分別驗證在副消處吊鉤被動端加31 Hz吸振器方案，或將D擋開空調蠕行工況發動機轉速提升至1 050 r/min方案，主客觀評價兩種方案均可接受。但綜合考慮整車性能、成本和經濟性等，確定后者為最終實施方案。

蠕行轟鳴；二階振動；排氣系統；主客觀評價

隨著汽車工業的發展，顧客越來越挑剔，汽車轟鳴問題也逐漸引起許多專家、學者的關注。袁守利等通過優化離合器的扭轉彈簧剛度和傳動軸的軸徑，有效改善傳動系統的低速扭振問題，同時使車內噪聲降低2～3 dB(A)[1]。王昆等研究發現，改變離合器的剛度和阻尼，可影響傳動系的扭振，從而改善車內噪聲和振動問題[2]。孫佳等通過在進氣系統中加入赫姆霍茲諧振腔，并在安裝點添加橡膠隔震墊，使車內噪聲顯著降低[3]。邵立軍等利用仿真分析法，在中通道兩側增加車身與副車架安裝點，優化振聲傳函，從而消除加速轟鳴[4]。宋志輝等通過計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析，優化車身安裝點動剛度，優化車內轟鳴問題[5]。

激勵源與汽車的低頻聲腔模態耦合或激勵源與某結構模態耦合傳遞至車內，導致車內形成較大的壓力脈動，產生引起人耳不適的低頻噪聲稱為轟鳴（Booming）[6-7]。轟鳴問題產生的頻率范圍，一般在25～100 Hz之間[8]，且人耳對其較為敏感。根據激勵源將轟鳴分為：動力系統轟鳴、傳動系統轟鳴、進氣系統轟鳴、排氣系統轟鳴和路面行駛轟鳴等。根據工況將轟鳴分為：怠速轟鳴、起步轟鳴、蠕行轟鳴、加速轟鳴、降速轟鳴和勻速轟鳴等。本文將對某在研SUV因排氣系統引起的D擋開空調蠕行行駛工況轟鳴問題，進行排查分析并整改。從而為新車型開發，積累經驗，提供指導。

1 排氣系統組成

排氣系統結構一般包括熱端和冷端，詳見圖1。排氣系統離發動機近的部分稱為熱端，一般包括排氣歧管、增壓器（適用于增壓型發動機）、催化器和柔性連接等。排氣系統離發動機遠的部分稱為冷端，一般包括主、副消聲器、中間管道和尾管等。另外，排氣系統通過吊鉤與車身連接。

圖1 排氣系統

2 排氣系統引起車內轟鳴機理分析

發動機傳遞至車內的基頻噪聲主要用于評價轟鳴噪聲，如四缸四沖程發動機評價2階，六缸四沖程發動機評價3階。排氣轟鳴噪聲傳播路徑包括：空氣路徑和結構路徑，其傳遞示意圖如圖2所示。發動機運轉時產生的壓力波，在排氣管道中傳播而形成空氣噪聲，并從排氣尾口經過車身輻射至車內，這種噪聲稱為空氣傳播噪聲。發動機運轉時產生的振動由排氣吊鉤傳遞至車身，引起車身振動，并通過車身結構傳遞到車內，這種噪聲稱為結構傳播噪聲。

圖2 排氣系統傳遞路徑分析

轟鳴聲頻率計算式為

/60（1）

式中，為發動機轉速，r/min；為發動機氣缸數；為沖程系數，四沖程=2，二沖程=1。

3 問題描述

某在研運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV），動力總成為1.5T渦輪增壓發動機，變速器為雙離合7DCT變速箱，在性能驗證階段，主觀評價D擋開空調蠕行行駛車內前排轟鳴明顯，發動機轉速約930 r/min左右，同時車內地板伴有明顯振動，此問題嚴重影響顧客駕駛車輛舒適性，屬于必須解決的整車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）問題。

4 問題原因分析

4.1 問題排查

為查找問題原因，首先運用LMS公司Test. Lab測試軟件，采集問題樣車在平坦瀝青道路上D擋開空調蠕行工況的振動噪聲數據。分別對動力系統、傳動系統、排氣系統和進氣系統進行排查。

圖3 車內噪聲頻譜

通過數據分析，發現車內駕駛員右耳31 Hz處存在47 dB(A)噪聲峰值（即車內二階噪聲），如圖3所示，回放濾波聽音確認該頻率為問題頻率。從排氣系統尾口噪聲及副消吊鉤振動數據上看，排氣尾口噪聲在31 Hz處存在峰值如圖4所示，副消吊鉤振動在31 Hz處也存在峰值如圖5所示。因此，判斷車內轟鳴由排氣系統引起。

圖4 排氣尾口噪聲頻譜

圖5 排氣吊鉤振動頻譜

為進一步排查該問題是由空氣路徑引起，還是由結構路徑引起，設計以下A和B兩組方案進行驗證：

方案A：在排氣尾口加大消聲器，屏蔽排氣尾口的噪聲，以分析輻射噪聲的貢獻；

方案B：將排氣吊鉤與車身的安裝點斷開，以分析結構噪聲的貢獻。

測試數據如下：

方案A對應的車內噪聲水平如圖6所示，排氣尾口噪聲水平如圖7所示。斷開排氣副消處吊鉤方案對應的車內噪聲水平如圖8所示。

對以上兩種方案數據進行分析發現：方案A駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值降低2 dB(A)，達到了45 dB(A)，主觀評價車內轟鳴無明顯變化；方案B駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值降低6.5 dB(A)，達到了40.5 dB(A)，主觀評價車內無轟鳴。因此，判斷該問題主要貢獻路徑為結構路徑。

圖6 方案A車內噪聲頻譜

圖7 優化方案排氣尾口噪聲頻譜

圖8 方案B車內噪聲頻譜

4.2 傳遞路徑排查

測試排氣系統吊鉤到駕駛員右耳的振聲傳函，數據如圖9所示。振聲傳函曲線滿足目標要求，且排氣吊鉤到駕駛員右耳傳函在31 Hz附近無明顯峰值。

圖9 副消吊鉤到車內振聲傳函曲線

4.3 排氣系統模態分析

利用有限元分析方法建立排氣系統模型，并對排氣系統模態進行分析，發現存在31.5 Hz垂向彎曲模態，如圖10所示。

圖10 31.5 Hz垂向彎曲模態

4.4 原因分析

通過分析以上測試數據，結合CAE分析確定此問題產生的根本原因為發動機二階振動與排氣系統31.5 Hz垂向彎曲模態耦合。放大的振動通過副消處吊鉤傳遞至車內，從而引起車內轟鳴。

5 方案制定及驗證

為驗證該問題，是由發動機二階振動與排氣系統31.5 Hz垂向彎曲模態耦合引起的。根據源-路徑-響應原理，制定以下兩個驗證方案：

方案一：副消處排氣吊鉤被動端加31 Hz吸振器（傳遞路徑方案）；

方案二：將問題工況發動機轉速提升至 1 050 r/min（激勵源方案）。

該問題樣車分別實施以上兩種方案后，車內駕駛員右耳噪聲頻譜，如圖11所示。分析數據可知：方案一車內駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值降低4.5 dB(A)，達到42.5 dB(A)，主觀評價可接受；方案二車內駕駛員右耳噪聲31 Hz峰值頻率移至35 Hz處，且降低5.6 dB(A)，達到41.4 dB(A)，主觀評價可接受。為驗證方案一致性，將2號車輛（排查車輛視為1號車）根據方案二進行驗證。主觀評價兩輛車無明顯區別，客觀數據發現兩輛車一致性也較好，數據如圖12所示。

圖11 車內駕駛員右耳噪聲頻譜

圖12 方案一致性驗證

根據以上方案驗證，可以判斷該問題確實由發動機二階振動與排氣系統31.5 Hz垂向彎曲模態耦合引起的。

6 總結

針對某在研SUV車型性能驗證階段出現的D擋開空調蠕行轟鳴問題，從試驗出發對問題進行研究，結合路徑排查及CAE分析確定引起該問題的根本原因為發動機二階振動與排氣系統31.5 Hz垂向彎曲模態耦合。放大的二階振動通過排氣吊鉤傳遞至車內，從而引起車內轟鳴噪聲。

副消處排氣吊鉤被動端加31 Hz吸振器或將D擋開空調蠕行工況發動機轉速提升至1 050 r/min，車內駕駛員右耳噪聲均明顯降低，且主觀評價均可接受。但該車處于性能驗證后期階段，考慮排氣系統重新設計，周期長、費用高，不在重新設計排氣。同時，因D擋開空調蠕行工況為不常用工況，且綜合考慮整車性能、成本和經濟性等，最終確定方案二為解決該問題的實施方案。

通過對D擋開空調蠕行轟鳴問題分析研究，總結出排氣系統引起車內噪聲振動問題的可能原因以及排查思路，從而為車型前期開發，避免類似問題后期發生提供指導意見。

[1] 袁守利,尹凡,劉志恩.某SUV車內低速轟鳴的分析與 優化[J].江蘇大學學報(自然科學版),2018(4):397-402.

[2] 王昆,蘇彬,吉麗超,等.傳動系扭振對MPV車內轟鳴聲影響的控制研究[J].噪聲與振動控制,2018(2):77- 82.

[3] 孫佳,周丹丹,羅恩志.某型車進氣轟鳴問題研究[J].噪聲與振動控制,2016(6):202-205.

[4] 邵立軍,李京福,鄂世國,等.基于仿真分析的汽車加速轟鳴噪聲研究與優化[J].北京汽車,2019(6):16-20.

[5] 宋志輝,郭錦鵬,湯勇.提升車身動剛度解決車內轟鳴現象的研究[J].汽車實用技術,2019,44(16):115-117.

[6] 吳文江,董紅濤,劉佳.某車型轟鳴問題實驗控制方法研究[J].汽車實用技術,2019,44(6):120-123.

[7] 王若平,張旭,夏仕朝,等.某MPV車內轟鳴噪聲試驗分析與降噪改進[J].重慶大學學報（自然科學）,2018 (1):28-34.

[8] 楊仕祥,史文庫,陳志勇,等.某商用車轟鳴問題的分析與控制[J].汽車工程,2018(2):214-220.

Analysis and Optimization of Creeping Booming Causedby Exhaust System in an SUV

ZHANG Hongchuan1,2

( 1.Great Wall Automobile Company Limited, Baoding 071000, China;2.Hebei Automotive Technology Innovation Center, Baoding 071000, China )

In the performance verification stage of a certain sport utility vehicle(SUV), the subjective evaluation D gear the air conditioner creeping car in the front row of the car booming obviously, and the floor is accompanied by obvious vibration, and the engine speed is about 930 r/min. Through the analysis of the measured data, it is found that there is a significant peak at the spectral curve of 31 Hz, and the playback filter listener confirms that the frequency is a problem frequency. By increasing the muffler at the exhaust tail or disconnecting the exhaust hook, the exhaust system is confirmed to be the root cause of the creeping booming. Combined with the transfer path investigation and computer aided engineering (CAE) analysis, it is finally determined that the problem is caused by the coupling of the engine's second order vibration to the 31.5 Hz vertical bending mode of the exhaust system. According to the principle of source-path-response, the scheme of adding 31 Hz absorber to the passive end of the hook at the sub-elimination place is formulated, or the engine speed of the Dgear air conditioner creeping condition is increased to 1 050 r/min, and the subjective and objective evaluation of both schemes is acceptable. However, considering the performance, cost and economy of the whole vehicle, the latter is determined to be the final implementation plan.

Creeping Booming; Second order vibration; Exhaust system; Subjective and objective evaluation

U462

A

1671-7988(2023)11-169-05

張紅川（1988－），男，碩士，工程師，研究方向為汽車NVH，E-mail:1007015451@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.031