牽引車低阻進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲的影響分析與優(yōu)化

【摘要】為降低某牽引車低阻進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲的影響，基于模態(tài)仿真分析和臺(tái)架模態(tài)測(cè)試，建立進(jìn)氣系統(tǒng)模態(tài)仿真模型，對(duì)影響駕駛室內(nèi)噪聲的進(jìn)氣系統(tǒng)主要階次噪聲進(jìn)行定位、定頻，并利用該模型研究了進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣道總成、空氣濾清器總成和底座總成噪聲的特點(diǎn)、相應(yīng)降噪措施及效果，通過(guò)精準(zhǔn)控制上述主要總成的模態(tài)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了駕駛室內(nèi)噪聲。

關(guān)鍵詞：牽引車 進(jìn)氣噪聲 模態(tài)分析 車內(nèi)噪聲

中圖分類號(hào)：U464.141" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240359

Analysis and Optimization of the Influence of Tractor Low-Resistance Intake System on Interior Noise

Li Guojun， Jia Zhaoyuan， Li Guanlin， Bi Dapeng， Wang Gongke， Zhang Longfei

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】To reduce the influence of the tractor low-resistance intake system on the cab interior noise， a modal simulation model of the intake system is established， and the main modal noise frequencies that affect the interior noise are located and defined. The paper studies the characteristics， noise reduction measures of intake system air passage assembly， air filter assembly and base assembly， along with thecorresponding noise reduction measures and effects. The modal characteristics of the above assemblies are precisely controlled and optimized， which effectively reducing the overall interior noise of the vehicle.

Key words： Tractor， Intake noise， Modal analysis， Interior noise

【引用格式】 李國(guó)軍， 賈昭遠(yuǎn)， 李冠霖， 等. 牽引車低阻進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲的影響分析與優(yōu)化[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 22-29.

LI G J， JIA Z Y， LI G L， et al. Analysis and Optimization of the Influence of Tractor Low-Resistance Intake System on Interior Noise[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 22-29.

1 前言

進(jìn)氣噪聲是半掛牽引車的主要噪聲之一。半掛牽引車進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣道口布置在駕駛室背面或側(cè)面，進(jìn)氣噪聲極易傳入駕駛室內(nèi)，從而對(duì)駕駛員產(chǎn)生干擾。

牽引車進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲來(lái)源主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)噪聲[1]和空氣壓縮機(jī)脈動(dòng)噪聲，空氣壓縮機(jī)功率較大且啟動(dòng)頻繁，其噪聲甚至超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)噪聲。針對(duì)采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的車型，防喘振閥接口和閉式曲軸箱通風(fēng)也會(huì)成為噪聲來(lái)源。上述噪聲源產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)衰減、放大并傳遞到駕駛室內(nèi)部或外界環(huán)境，主要傳遞路徑有：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門周期性開(kāi)合在進(jìn)氣管路中產(chǎn)生的氣壓波動(dòng)經(jīng)進(jìn)氣道口直接傳遞至外界；進(jìn)氣系統(tǒng)部件，如進(jìn)氣道總成、底座總成、空氣濾清器總成的壁面受到激勵(lì)發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲輻射；經(jīng)由進(jìn)氣道總成與車體壁面相連部分的結(jié)構(gòu)傳遞。其中，通過(guò)進(jìn)氣管口傳遞至外界的噪聲貢獻(xiàn)量最大[2]，進(jìn)氣系統(tǒng)部件模態(tài)對(duì)駕駛室內(nèi)舒適性影響較大。

目前，針對(duì)牽引車進(jìn)氣系統(tǒng)模態(tài)對(duì)駕駛室內(nèi)聲品質(zhì)的影響研究很少。本文通過(guò)模態(tài)測(cè)試和模態(tài)仿真相結(jié)合的方法分析駕駛室內(nèi)噪聲的影響因素，并通過(guò)仿真分析進(jìn)氣系統(tǒng)消聲能力，進(jìn)而進(jìn)行低阻進(jìn)氣系統(tǒng)輻射噪聲定位、定頻，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道總成、空氣濾清器總成和底座總成進(jìn)行模態(tài)仿真分析，并結(jié)合工藝、結(jié)構(gòu)分析制定模態(tài)優(yōu)化方案，最后開(kāi)展實(shí)車驗(yàn)證。

2 低阻進(jìn)氣系統(tǒng)及整車噪聲測(cè)試

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

牽引車進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功能是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足量、清潔、干燥和低溫的空氣，由空氣濾清器總成、進(jìn)氣道總成、減振塊總成、連接波紋軟管總成、底座總成、連接膠管隔熱罩等部件構(gòu)成，如圖1所示。

2.2 低阻進(jìn)氣系統(tǒng)

隨著整車發(fā)動(dòng)機(jī)排量逐漸增大，為降低整車油耗和提升動(dòng)力性，需要降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力。為此，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了性能開(kāi)發(fā)：大流量、低阻空氣濾清器總成可在30 m3/min的進(jìn)氣流量下實(shí)現(xiàn)阻力降低0.5 kPa，如圖2所示；低阻進(jìn)氣道總成可在30 m3/min的進(jìn)氣流量下實(shí)現(xiàn)阻力降低0.6 kPa，如圖3所示。

整車換裝低阻空氣濾清器總成、進(jìn)氣道總成后，在整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)試獲得的進(jìn)氣系統(tǒng)阻力如圖4所示。

由圖4可知，采用低阻進(jìn)氣系統(tǒng)后，在整車常用的1 000～1 400 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，進(jìn)氣阻力明顯降低，其中，在1 400 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣系統(tǒng)阻力降低0.85 kPa。

2.3 低阻進(jìn)氣系統(tǒng)整車噪聲測(cè)試

換裝低阻空氣濾清器總成、進(jìn)氣道總成后，怠速工況下整車噪聲測(cè)試結(jié)果如表1、圖5所示。由表1可知，駕駛室內(nèi)駕駛員右耳噪聲提高2.6 dB（A）、駕駛員左耳噪聲提高2.7 dB（A）、臥鋪位置噪聲提高2.6 dB（A），進(jìn)氣口噪聲基本不變。由圖5可知，駕駛員右耳、左耳、臥鋪位置噪聲在80～500 Hz范圍內(nèi)的多個(gè)頻帶增大，進(jìn)氣口噪聲在315 Hz附近增大。

滿載加速工況下整車噪聲測(cè)試結(jié)果如圖6所示，駕駛員右耳和進(jìn)氣口噪聲均增大。

針對(duì)低阻進(jìn)氣系統(tǒng)方案，怠速工況下，進(jìn)氣管口噪聲目標(biāo)達(dá)成，駕駛員右耳、左耳和臥鋪位置的噪聲均未達(dá)到目標(biāo)要求，滿載加速工況下，駕駛員右耳和進(jìn)氣口噪聲目標(biāo)未達(dá)成。主觀評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，駕駛室內(nèi)可明顯聽(tīng)到進(jìn)氣系統(tǒng)“咚咚”聲。

由于駕駛員右耳、左耳和臥鋪位置噪聲的頻率集中在80～500 Hz范圍內(nèi)的多個(gè)頻帶，需分析進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)駕駛室內(nèi)噪聲的影響、傳遞途徑和進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，并進(jìn)行優(yōu)化。

3 進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)低阻進(jìn)氣系統(tǒng)在0～500 Hz范圍內(nèi)的消聲能力仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7所示，進(jìn)氣系統(tǒng)在30 Hz、80 Hz、120 Hz、200 Hz和300 Hz頻帶消聲能力相對(duì)較弱，其中30 Hz、80 Hz頻帶噪聲源位于空氣濾清器總成前端的進(jìn)氣道總成和底座總成。

為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，在基礎(chǔ)進(jìn)氣系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上僅更換低阻進(jìn)氣道總成，如圖8所示，并開(kāi)展駕駛室內(nèi)噪聲測(cè)試和進(jìn)氣道表面模態(tài)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖9、圖10所示，駕駛員右耳和臥鋪位置噪聲在80 Hz頻段明顯提高，進(jìn)氣道表面在80 Hz頻段存在明顯的峰值，表明共振是駕駛室內(nèi)噪聲的來(lái)源。

空氣濾清器模態(tài)仿真分析結(jié)果如圖11所示，進(jìn)氣口在105 Hz頻帶存在共振模態(tài)，共振頻率小于發(fā)動(dòng)機(jī)3階激勵(lì)頻率，存在共振風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)氣系統(tǒng)底座總成模態(tài)仿真分析結(jié)果如圖12所示，底座出氣口處存在90.2 Hz頻帶2階共振點(diǎn)，存在共振風(fēng)險(xiǎn)。

低阻進(jìn)氣道總成模態(tài)仿真結(jié)果如圖13所示，進(jìn)氣口、進(jìn)氣道表面存在多處80 Hz共振點(diǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)噪聲傳遞到進(jìn)氣系統(tǒng)，進(jìn)而傳遞到進(jìn)氣道總成的，并且由于進(jìn)氣系統(tǒng)在80 Hz頻帶處的消聲能力不足，對(duì)進(jìn)氣道的共振點(diǎn)產(chǎn)生激勵(lì)形成共振，并通過(guò)輻射傳遞到駕駛室內(nèi)，造成駕駛員右耳、左耳和臥鋪位置噪聲異常升高。

根據(jù)進(jìn)氣道總成模態(tài)仿真分析結(jié)果，并考慮進(jìn)氣道阻力、雨水分離性能、制造工藝性等維度，制定4種模態(tài)優(yōu)化方案，如圖14所示。

方案1主要考慮原有模具不變，在進(jìn)氣口格柵內(nèi)部采用“目”型支撐結(jié)構(gòu)，改善進(jìn)氣口格柵處的模態(tài)；方案2在1基礎(chǔ)上，在進(jìn)氣道靠近車身側(cè)表面增加網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，優(yōu)化進(jìn)氣道靠近駕駛室側(cè)平面的模態(tài)；方案3在2基礎(chǔ)上，在進(jìn)氣道增加網(wǎng)絡(luò)型和優(yōu)化水滴型對(duì)頂結(jié)構(gòu)；方案4在方案3基礎(chǔ)上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)的寬度、深度和分布情況。

采用模態(tài)仿真分析方法，對(duì)4種進(jìn)氣道模態(tài)優(yōu)化方案進(jìn)行1～6階次共振頻率仿真分析，仿真結(jié)果如表2所示。

仿真結(jié)果表明：方案1進(jìn)氣口格柵處模態(tài)改善，但是在進(jìn)氣道靠近進(jìn)氣口側(cè)仍存在3階共振頻率81 Hz；方案2整個(gè)平面的模態(tài)改善，但局部存在2階共振頻率82 Hz；方案3對(duì)應(yīng)部位共振頻率為87.7 Hz，可規(guī)避中心頻率80 Hz±5 Hz范圍內(nèi)的共振風(fēng)險(xiǎn)；方案4的2階、3階和4階頻率相對(duì)方案3微有下降，無(wú)模態(tài)改善。

針對(duì)方案3進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)仿真，分析進(jìn)氣道阻力、雨水分離性能，結(jié)果與優(yōu)化前方案相當(dāng)，模具工藝分析結(jié)果顯示，方案3可在現(xiàn)有模具上通過(guò)修模實(shí)現(xiàn)。綜上，方案3為最優(yōu)方案。

4 進(jìn)氣系統(tǒng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 進(jìn)氣道總成模態(tài)優(yōu)化

根據(jù)進(jìn)氣道模態(tài)仿真分析結(jié)果（圖13），考慮共振點(diǎn)模態(tài)分布，以及進(jìn)氣道阻力、雨水分離性能、制造工藝性等維度制定模態(tài)優(yōu)化方案。

首先，在進(jìn)氣口格柵的內(nèi)部采用“目”型結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣道中布置類似水滴型對(duì)頂結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)噪聲波能量吸收和衰減，降低傳遞到駕駛室內(nèi)部的噪聲，如圖15所示。

在進(jìn)氣道面向駕駛室側(cè)的表面采用網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)噪聲波吸收以及逐級(jí)消耗，減小或消除通過(guò)輻射傳遞到駕駛室內(nèi)部的噪聲，如圖16所示。

對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行模態(tài)仿真分析，結(jié)果如圖17所示，在前6階共振頻率處進(jìn)氣道表面模態(tài)共振范圍明顯縮小，特別是在80 Hz±5 Hz頻率段沒(méi)有共振點(diǎn)。同時(shí)，利用快速成型件進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試迭代，并最終通過(guò)了整車驗(yàn)證。

4.2 空氣濾清器總成模態(tài)優(yōu)化

在空氣濾清器進(jìn)氣口表面采用蜂窩狀六邊型加強(qiáng)筋提升表面模態(tài)頻率，如圖18所示。

對(duì)空氣濾清器總成進(jìn)行模態(tài)仿真分析，結(jié)果如圖19所示，在3階內(nèi)空氣濾清器進(jìn)口模態(tài)頻率達(dá)到130 Hz以上，規(guī)避了發(fā)動(dòng)機(jī)3階激勵(lì)。

4.3 底座總成模態(tài)優(yōu)化

如圖20所示，在底座總成的出氣口增加金屬支撐，以提升其模態(tài)頻率，通過(guò)制作快速成型件開(kāi)展臺(tái)架測(cè)試，并最終通過(guò)整車測(cè)試。

5 進(jìn)氣系統(tǒng)模態(tài)優(yōu)化方案驗(yàn)證

根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)模態(tài)優(yōu)化方案，完成相應(yīng)部件模具修改并生產(chǎn)正式樣件，在試驗(yàn)車上換裝，如圖21所示，驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

5.1 怠速工況驗(yàn)證

怠速工況下模態(tài)優(yōu)化方案測(cè)試結(jié)果如表3、圖22所示：僅換裝模態(tài)優(yōu)化的進(jìn)氣道總成，駕駛員右耳、左耳和臥鋪位置噪聲聲壓級(jí)明顯降低，與原進(jìn)氣系統(tǒng)相當(dāng)，但仍可聽(tīng)到輕微的“砰砰”聲；同時(shí)更換經(jīng)模態(tài)優(yōu)化的進(jìn)氣道總成、空氣濾清器總成和底座總成，駕駛員右耳、左耳、臥鋪和進(jìn)氣口位置的噪聲聲壓級(jí)顯著降低，主觀評(píng)價(jià)駕駛室內(nèi)沒(méi)有“砰砰”聲。

5.2 定置升速工況驗(yàn)證

定置升速工況下，駕駛員右耳和臥鋪位置噪聲如圖23所示，兩處噪聲聲壓級(jí)顯著降低，主觀評(píng)價(jià)駕駛室內(nèi)沒(méi)有聽(tīng)到“砰砰”聲。

5.3 滿載加速工況驗(yàn)證

滿載加速工況下，駕駛員右耳和進(jìn)氣口噪聲如圖24所示，兩處噪聲聲壓級(jí)顯著降低，主觀評(píng)價(jià)駕駛室內(nèi)沒(méi)有“砰砰”聲。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究進(jìn)氣系統(tǒng)模態(tài)對(duì)車內(nèi)噪聲的影響，采用模態(tài)仿真、臺(tái)架測(cè)試和整車測(cè)試等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響車內(nèi)噪聲的進(jìn)氣噪聲的定位、定頻，并提出通過(guò)模態(tài)仿真分析和臺(tái)架模態(tài)測(cè)試相結(jié)合的方法，提升模態(tài)仿真分析精度，以此為基礎(chǔ)對(duì)進(jìn)氣道總成、空濾器總成和底座總成進(jìn)行了模態(tài)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，并通過(guò)整車怠速工況、定置升速工況和滿載加速工況開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，所提出的模態(tài)優(yōu)化方案有效。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年12月4日。