某車輛加速車內轟鳴問題分析與解決方法

翟志雄　黃志亮

摘 要：某車輛在加速過程中當發動機轉速在3500rpm左右時存在明顯轟鳴聲，該轉速段附近為常用轉速段，嚴重影響乘客主觀感受及車輛品質，通過試驗與仿真分析相結合的方法，從噪聲源及傳遞路徑對轟鳴聲產生的原因進行分析和驗證，確認該轟鳴聲受動力總成標定、長半軸、前副車架、右前縱梁局部模態共同影響，綜合考慮可實施性與成本，逐一解決，達到消除轟鳴聲的效果。

關鍵詞：轟鳴聲 標定 模態 動力吸振器

1 前言

當今社會汽車逐漸普及，使消費者對車輛的靜態與動態的要求越來越高。車輛的NVH性能是衡量整車性能的重要指標，而加速轟鳴聲作為NVH性能評價的關鍵項目，在開發過程中應加以避免。對于搭載四缸發動機的車輛，高轉速的轟鳴聲大多為發動機二階激勵與半軸、前副車架、前縱梁模態耦合，引起車內轟鳴激勵通過半軸和懸置傳遞至車身，引起局部鈑金件或結構模態被激發從而引發人耳強烈的壓耳感。

本文以開發過程中的某款車輛為例，通過試驗與仿真分析相結合的方法，確認引起車內轟鳴的主要部件，從而通過ECU和TCU標定優化、長半軸加雙模動力吸振器、前副車架加A字復合加強梁且增加焊點、前縱梁根部斜向支撐四種方案改善車內轟鳴聲。

2 問題描述

某車輛在加速過程中，當發動機轉速在3500rpm附近時，駕駛員耳旁可以聽到明顯轟鳴聲，壓耳感嚴重，但后排駕乘人員無此相關感受。通過3檔全油門加速工況采集主駕右耳總聲壓級曲線和2階、4階、6階次噪聲曲線，可以看出在3500rpm附近2階次曲線峰值突出，接近72dB（A），緊挨總聲壓級曲線，因此可以判斷該轟鳴產生的主要貢獻量為2階次噪聲，如圖1所示。

由于該轎車搭配四缸四沖程發動機，因而根據其本身固有特性，可以計算出點火頻率為[1]

其中i為噪聲與振動的階次，n為發動機的曲軸轉速，因此可以計算出發動機在3500轉附近2階次噪聲頻率為117Hz左右。

3 問題排查和驗證

3.1 動力總成標定

扭振測試發現發動機在3500rpm附近扭振比較嚴重，通過對ECU數據更新降扭（節氣門開度50%-80%，3200rpm-4000rpm范圍內降扭5%）和調整TCU換擋線使在問題轉速段降低檔位縮短加速通過時間，客觀測試結果顯示車內二階轟鳴聲在3500rpm附近總級降低2-3dB（A），二階降低5dB（A），如下圖2所示，主觀感受加速線性較好。

3.2 長半軸

對長半軸進行模態測試，長半軸在118Hz左右存在模態，如下圖3所示，與車內轟鳴聲頻率相對應。當發動機轉速在3500rpm左右時，發動機二階激勵引起的長半軸共振，需要在半軸上加動力吸振器解決。

動力吸振器技術主要分為主動式、半主動式、被動式吸振三種方式，這三種技術由于所具有的不同優缺點，從而廣泛地應用于不同的領域，而被動式吸振器由于其低成本、高功率密度、高可靠性和對窄頻段具有良好的吸振效果從而廣泛應用于車輛調校領域[2]，將半軸視為一個單自由度振動系統，在振動模態較大的中心增加被動式動力吸振器，即可構成一個兩自由度質量振動系統，從而可以有效地抑制半軸該頻率的振動，圖4為此振動系統等效模型。

等效模型運動方程為

假設系統做簡諧運動帶入上式可解出與的關系

回帶得到

顯然設計吸振器的目標是為了減弱原系統振幅大小。根據主振系統質量和固有頻率選擇吸振器質量，計算質量比，并確定最佳頻率比，從而確定吸振器彈簧剛度。

根據這個原理在長半軸加103Hz/580g+

560Hz/240g雙模動力吸振器后，加速3500rpm左右二階噪聲下降5 dB（A）左右，如下圖5所示，主觀評價車內前排轟鳴聲明顯降低。

3.3 前副車架

對前副車架進行模態測試，前副車架在120Hz存在模態，從振型可以看出該模態為車身前縱梁與前副架的整體模態，與轟鳴點頻率相吻合，如下圖6所示。

前副車架上下板之間增加A字形復合加強梁，分別與上下板焊接，厚度2.0mm，如下圖7所示，增加后提高副車架Z向剛度，CAE分析可降低后懸置被動端安裝點響應，見下圖8所示，試驗驗證加速3500rpm左右二階噪聲下降5-8dB（A）左右，見下圖9所示。

3.4 右前縱梁

從CAE仿真和試驗模態識別結果來看，右前縱梁120Hz附近峰值較小且以Y向為主，整車加速工況下縱梁屬于強迫響應，縱梁根部加斜向支撐仍然對縱梁的剛度及整車的穩健性有益，右前縱梁振動響應和Y向傳遞函數在120Hz左右峰值明顯降低，見下圖10-圖12所示。

4 綜合方案驗證

將以上四種方案即ECU和TCU標定優化、長半軸加雙模動力吸振器、前副車架加A字復合加強梁且增加焊點、前縱梁根部斜向支撐在整車上全部體現后進行測試驗證和主觀評價，測試結果顯示加速3500rpm附近駕駛員右耳噪聲總級降低3-4dB（A），二階噪聲下降4-6 dB（A），詳見下圖13所示，主觀評價加速轟鳴聲可以接受。

5 總結

針對某車輛高轉速轟鳴問題，首先要確定轟鳴聲的特性以找到激勵源，其次通過CAE仿真與實驗相結合方式來確定對轟鳴聲貢獻大的結構部位。在轟鳴聲控制方面，提出優化動力總成標定、長半軸加雙模動力吸振器、前副車架加A字復合加強梁且增加焊點、前縱梁根部斜向支撐來削弱結構模態和聲腔模態的耦合作用。通過試驗證明了分析方法的正確性以及控制方法的有效性。為新車開發過程中提供目標值設定依據，推薦主要部件結構頻率及響應的合理性，預測新產品NVH性能，從而大大縮短研發周期，降低開發成本。

參考文獻：

[1]佟德純. 工程信號處理及應用[M].上海：上海交通大學出版社.1989.

[2]背戶一登. 動力吸振器及其應用[M].北京：機械出版社.2013.

[3]龐劍. 汽車噪聲與振動-理論應用[M].北京：北京理工大學出版社.2008.