某車型加速車內噪聲問題分析與優化設計

摘要：汽車懸架、動力總成安裝點的動態性能對車身傳遞特性有著非常大的影響。針對某款乘用車在研發路試階段主觀評價發現的加速車內噪聲問題進行優化，通過實車及臺架試驗對該問題進行分析，確認問題原因主要來自于后懸置隔振率不足，采用仿真手段優化支架結構，并對改進后方案進行實車效果驗證。測試效果表明，優化后的動力總成后懸置支架使得車內噪聲降低2 dB（A）。研究結論豐富了車輛懸置安裝結構系統的設計方法及低靈敏度車身設計要點。

關鍵詞：后懸置支架；加速噪聲；仿真分析；車身靈敏度；懸置安裝系統

中圖分類號：U463.82+1" 收稿日期：2023-09-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.004

1 前言

車輛在行駛過程中受到各種振動激勵，包括動力總成的激勵、傳動系激勵及輪胎/路面的激勵等。為了降低傳遞到乘員艙的振動，各種激勵源與車身之間一般通過彈性元件連接，這些彈性元件構成了車輛NVH性能必不可少的懸置系統。動力總成懸置系統便是一種典型的應用。懸置由中間的彈性元件和兩側的懸置骨架組成。兩側骨架用于將懸置連接至車身，骨架本身應遵循一定的設計原則以避免產生共振。動力總成的激勵力通過懸置傳遞到車身，文獻[1]和文獻[3]給出了力的傳遞計算公式推導，文獻[2-5]的研究認為工程實踐中懸置力隔振率應以20 dB為設計目標。懸置骨架與車身連接后的隔振性能取決于雙方的剛度匹配，如何考慮兩個結構連接的設計原則，是工程實際中遇到的問題。文獻[6]在試驗過程中證明提高隔振率對車內振動、噪聲均有改善，但未進一步展開分析。

本文將懸置骨架與車身作為子系統進行研究，結合樣車開展問題診斷，并通過有限元仿真分析對后懸置支架進行優化，有效地解決了實際工程問題，最后得出車輛開發中懸置安裝系統應遵循的設計要點及原則。

2 問題診斷

2.1 試驗分析

某車型試驗樣車存在加速工況車內噪聲大的問題，4階峰值達到74.4 dB（A），問題轉速為3 000～4 500 r/min圖1所示為發動機噪聲總值以及4階噪聲測試結果，圖2所示為發動機噪聲Colormap圖。

為確定問題路徑，將動力總成后懸置脫開進行測試，車內噪聲總值最大可降低3.4 dB（A），如圖3所示。后懸置脫開Overall噪聲測試結果，如圖4所示，可以看出，4階噪聲最大值降低10 dB（A）。

以上試驗結果說明，動力總成激勵經由后懸置傳遞至人耳為重要結構噪聲傳遞路徑。試驗對比分析了問題樣車與目標車的懸置主動端振動，圖5所示為測試結果的比較情況，結果表明樣車主動端的振動明顯低于目標車。由此可見，后懸置隔振率不足是樣車加速車內噪聲大的重要原因之一。

2.2 隔振機理分析

動力總成振動由懸置隔振系統衰減后傳遞到車身，工程上采用隔振率指標來評價懸置系統的隔振性能。隔振率[5]的計算公式為：

[TdB=20lgaaap]" " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，[TdB]為隔振率；[aa]為主動側的加速度；[ap]為被動側的加速度。[TdB]越大，表明隔振性能越好。由于激勵引起的振動主方向為垂向，因此本文將Z方向的振動傳遞率作為隔振效果評價指標。

本文中后懸置支架結構聲傳遞路徑為動力總成激勵-主動側支架-后懸置-車身側支架-車身，如圖6所示。動力總成隔振性能的優劣取決于隔振系統的阻尼和動剛度，以及兩側懸置安裝支架的動剛度。

基于以上分析，可以從懸置橡膠軟墊、發動機側和車身側兩個懸置支架等三個方面考慮提升隔振率。a.懸置橡膠軟墊是隔振主要部件，其核心指標就是剛度。若想得到較高的隔振率，懸置需要高的導納，意味橡膠要足夠軟，但工程實際中為了滿足動力總成的安裝、限位、疲勞壽命等其他性能要求，懸置的導納只能在一定范圍內加大。本文中的問題樣車后懸置本身的動剛度為411 N/mm（@200 Hz），目標樣車后懸置動剛度為590 N/mm（@200 Hz），問題車后懸置更軟，因此不宜考慮作為優化方向。b.已知發動機主動側支架為鑄件，且經過試驗驗證，其剛度可滿足隔振要求。c.考慮通過提升后懸置被動側連接剛度來提升隔振性能。

3 仿真優化

有限元分析技術在汽車設計中，特別是在車身的結構NVH分析、強度、剛度等方面發揮了重要作用，可減少設計費用，縮短設計周期。本文將采用有限元仿真技術快速實現車身結構合理化設計。為提升懸置的隔振性能，將懸置支架與車身視為一個子系統，針對系統動剛度開展優化分析。動剛度是結構產生單位振幅所需要的動態力，表征結構在動態載荷下抵抗變形的能力，安裝點動剛度越大，傳遞至車身的能量越小。

3.1 改進方案確定

后懸置與車身組成的子系統連接點動剛度優化方向有以下幾種：

a.提升車身局部剛度，如布置加強梁、改變鈑金厚度或截面形狀、局部增加加強板等。

b.提升懸置支架剛度，如更改懸置支架材料性質、優化支架加強筋布置等。

c.提升支架與車身連接剛度，如增加懸置支架與車身連接點個數、增加連接面接觸面積等。

在項目開發后期的實車驗證階段，車身設變會涉及模具更改等費用，帶來較大的成本及周期代價。同時由于布置及裝配等約束，后懸置支架結構優化空間有限，基于以上原因考慮通過將懸置骨架加寬，增加與車身連接點的方案，達成子系統提高動剛度的目的。

基于上述改進方向分析，確定改進方案如下：

將后懸置支架與車身連螺栓由4個增加至6個，新增連接點設置在剛度較大的車身縱梁上，如圖7所示。考慮與周圍零部件的干涉等約束條件，后懸置支架的初步優化方案如圖8所示。

3.2 有限元模型搭建

采用HyperWorks軟件，建立子系統動剛度分析有限元模型。其中白車身采用四邊形殼單元（CQUAD4）和三角形殼單元（CTRIA3）劃分網格，通過焊點、螺栓、粘膠等方式進行組裝。懸置支架采用二階四面體網格建立，與車身通過螺栓連接固定，得到子系統動剛度分析的基礎模型，如圖9所示。

3.3 支架拓撲優化設計

結構拓撲優化是一種根據約束、載荷及優化目標而尋求結構材料最佳分配的優化方法，在滿足約束條件的前提下使結構剛度、質量特性得到優化配置[7-8]。

根據支架與車身、懸置裝配關系選定優化區域，設定支架固有頻率大于500 Hz為約束條件，以支架單元的相對密度為設計變量、總質量最小為優化目標，對改進后懸置支架進行拓撲優化分析。圖10為優化迭代完成后的單元密度分布云圖，可得到材料布置的優化建議方向。在滿足排氣、布置及裝配等條件下，考慮工藝成形等因素，由設計部門對支架結構進行詳細設計，得到圖11所示改進后的后懸置支架方案。

3.4 改進方案動剛度分析

為了考察發動機支架結構改進后的動態特性，對改進前后的支架分別進行動剛度分析。

在白車身自由狀態下，在子系統接附點處施加動態單位激勵力，以其本身接附點同時作為響應點。運用單位激勵頻率響應計算法分析動剛度，計算頻率為20～500 Hz，輸出形式為加速度曲線。

圖12所示為改進前后的加速度對比情況，可以看出優化后原點加速度在各頻率段均明顯下降。通過軟件求解得到改進方案懸置支架中心點等效動剛度由2 107 N/mm提升至4 026 N/mm，提升幅度高達91%。

4 實車驗證分析

基于仿真分析結果，對改進后的后懸置支架進行樣件試制，并重新進行測試，如圖13所示。圖14所示為測試結果，可以看出加速工況車內噪聲最大降低2 dB（A）。

5 結語

提高后懸置車身側連接點動剛度，可使隔振效率得到提升，由此降低激勵通過后懸置向車身的傳遞，最終達到有效降低車內噪聲的目的。在車輛開發過程中懸置設計應考慮以下幾點要素：

a.安裝點動剛度應達到市場上同級別競品車水平，使得傳遞的振動盡量小。

b.子系統連接點目標的設定需同步考慮懸置導納。

c.考慮懸置的隔振指標達成，應將懸置支架與車身視為一個子系統，子系統動剛度作為設計指標，制定兩部分的結構方案。

d.支架一階約束模態頻率目標為500 Hz，采用拓撲優化技術輔助進行設計，可為支架結構合理化改進提供行之有效的方案。

e.對于懸置支架安裝結構的位置選擇、整體方案的設計應在設計的初期就給予充分的考慮。

統籌考慮到項目后期車身及支架更改約束條件較多，下一步將通過增加吸振器的措施，進一步改善車內噪聲水平。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]Bijwe V B，Billade D B，Subir D S，et al.CAE Analysis of Dynamic Stiffness and NTF of Exhaust Attachment Point for NVH Improvement[J].SAE，2009-26-062.

[3]David H.Frequency Domain Considerations in Vehicle Design for Optimal Structural Feel[J].SAE，2000-01-1344.

[4]James A，Cogswell II.Mechanical Mobility Relationship to the Dynamic Properties of the Structure–Borne Vibration Path within the Power Train and Vehicle[J].SAE，2000-01-1344.

[5]Vinod K S，Nitin W，Vincent D，et al.Powertrain Transfer Path Analysis of a Truck[J].SAE，2001-01-2817.

[6]章超.電動汽車動力總成懸置系統隔振研究與優化設計[D].西安：長安大學，2019.

[7]芮強，王紅巖，王良曦.多工況載荷下動力艙支架結構拓撲優化設計[J].兵工學報，2010，31（6）：782-786.

[8]周安勇，侯蕾，劉旌揚.白車身接附點動剛度優化設計[J].汽車技術，2013（6）：16-19.

作者簡介：

馬玉婷，女，1985年生，工程師，研究方向為車身NVH仿真控制及驗證。