基于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置動(dòng)剛度分析的車內(nèi)降噪研究

陳 秀，譚 偉，王 彥，寇宇橋

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，武漢 430057）

隨著人們生活水平的提高，人們環(huán)保意識在加強(qiáng)，對汽車噪聲水平和乘坐舒適性的要求也越來越高。與此同時(shí)，各國對限制汽車噪聲的要求也越來越嚴(yán)格。近年來，車內(nèi)噪聲技術(shù)得到廣泛而深入的研究。汽車振動(dòng)和噪聲主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)、車輪和路面等。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的汽車振動(dòng)和車內(nèi)噪聲一直是研究的重點(diǎn)［1］。發(fā)動(dòng)機(jī)引起的車內(nèi)噪聲主要由空氣噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲組成。隨著汽車噪聲控制技術(shù)的發(fā)展，空氣噪聲通過對車身板件和內(nèi)部零件聲學(xué)處理得到了很好的控制［2］。結(jié)構(gòu)噪聲由于工況多變性，力傳輸路徑的復(fù)雜性，力的幅值隨頻率瞬時(shí)變化而難于控制。解決由結(jié)構(gòu)噪聲引起的車內(nèi)噪聲的關(guān)鍵是識別噪聲源，解析噪聲源到響應(yīng)點(diǎn)的傳遞路徑，以及獲得各傳遞路徑對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量。雖然通過試驗(yàn)測試手段可以很好的得到各個(gè)傳遞路徑對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)，但是針對噪聲問題的解決，試驗(yàn)手段不能有效地評價(jià)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對設(shè)計(jì)方案的影響。有限元分析技術(shù)可以有效的分析結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對設(shè)計(jì)方案的影響，并且能通過優(yōu)化技術(shù)得到較優(yōu)的合理解決方案。

針對某微型客車在行駛過程中車內(nèi)產(chǎn)生共鳴聲及車身有很強(qiáng)的抖動(dòng)現(xiàn)象。本文采用有限元技術(shù)對該發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置進(jìn)行動(dòng)剛度分析，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析和考慮裝配及焊接工藝等因素提出一個(gè)較為合理的改進(jìn)方案。改進(jìn)方案裝車后NVH測試結(jié)果顯示，車內(nèi)噪聲明顯降低。

1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度匹配原則

在車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲眾多傳遞路徑中，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)起著較為主要的作用。圖1所示為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲傳遞路徑模型［3］。圖中的ae和av分別是橡膠減振塊發(fā)動(dòng)機(jī)端和車身端的加速度。橡膠減振塊的隔振率可以用av與ae之間的比值表示。av的大小不僅取決于橡膠減振塊的動(dòng)剛度，還取決于車身端支架及支架與車身連接處的局部動(dòng)剛度。因此，圖1所示傳遞路徑的總動(dòng)剛度取決于三個(gè)方面的動(dòng)剛度，即橡膠減振塊動(dòng)剛度、車身端支架動(dòng)剛度和支架與車身連接處的動(dòng)剛度。

圖2所示為動(dòng)力總成右懸置系統(tǒng)剛度模型。為了考慮車身端支架與車身連接處的局部動(dòng)剛度，在建立車身端支架模型時(shí)考慮與其連接的部分縱梁和地板。發(fā)動(dòng)機(jī)端支架—橡膠減振塊—車身端支架、部分縱梁和部分地板組成一個(gè)類似于彈簧的串聯(lián)模型。

動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)總動(dòng)剛度可由式（1）計(jì)算得到：

式中：K（ω）為動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的總動(dòng)剛度；KE（ω）為發(fā)動(dòng)機(jī)端支架的動(dòng)剛度；KI（ω）為橡膠減振塊的動(dòng)剛度；KV（ω）為車身端支架與部分縱梁、地板連接在一起的動(dòng)剛度。

由式（1）可知，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果取決于其系統(tǒng)的剛度分配。如果橡膠兩邊支架的動(dòng)剛度趨于無窮時(shí)，動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)總動(dòng)剛度等于橡膠減振塊的動(dòng)剛度。但是當(dāng)支架的剛度比較低時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)剛度比期望的動(dòng)剛度低，即系統(tǒng)的動(dòng)剛度比橡膠減振塊的動(dòng)剛度低，這樣就達(dá)不到設(shè)計(jì)的隔振效果。支架動(dòng)剛度不足會引起局部結(jié)構(gòu)共振，甚至將結(jié)構(gòu)噪聲傳遞到車廂內(nèi)。為了達(dá)到良好的隔振效果，支架的動(dòng)剛度必須要比橡膠減振塊的剛度大到一定程度。通常遵循兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)一是支架的最低頻率應(yīng)該在500 Hz以上，標(biāo)準(zhǔn)二是支架或車身動(dòng)剛度應(yīng)該是橡膠軟墊的6～10倍以上［4］。

2 右懸置支架模態(tài)及動(dòng)剛度分析

本文所指的動(dòng)力總成是典型的縱置后驅(qū)系統(tǒng)，懸置布局為左、右及后懸置三點(diǎn)支撐。NVH測試結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置支架Z向動(dòng)剛度偏低。本文旨在通過提高右懸置系統(tǒng)的Z向動(dòng)剛度來改善車內(nèi)噪聲。為了方便，后文中提到的右懸置動(dòng)剛度指的是KV（ω），右懸置模型指的是車身端支架與部分縱梁、地板連接在一起組成的模型，如圖3所示。

采用HyperWorks軟件對車身端支架進(jìn)行自由模態(tài)計(jì)算。第一階自由模態(tài)形狀如圖4所示。車身端支架第一階模態(tài)頻率為559.3 Hz，與測試得到的車身端支架第一階模態(tài)頻率559.7 Hz相一致，這證明了有限元模型的準(zhǔn)確性。車身端支架第一階自由模態(tài)大于500 Hz，滿足動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度匹配標(biāo)準(zhǔn)一。對右懸置模型動(dòng)剛度分析計(jì)算結(jié)果如圖5所示，右懸置Z向動(dòng)剛度遠(yuǎn)小于目標(biāo)值，不滿足動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度匹配標(biāo)準(zhǔn)二。

3 右懸置動(dòng)剛度敏感性分析

為了提高右懸置Z向的動(dòng)剛度，本文基于原方案對Z向動(dòng)剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析，結(jié)果如圖6所示，由圖可知，方案5滿足動(dòng)剛度要求。基于方案5，并考慮裝車工藝對右懸置進(jìn)行動(dòng)剛度分析，結(jié)果如圖7所示。方案f05滿足動(dòng)剛度要求，同時(shí)也考慮了裝配與焊接工藝等因素，是一個(gè)可行的方案。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證右懸置優(yōu)化方案

方案f05對應(yīng)的右懸置有限元模型如圖8所示。方案f05實(shí)車安裝如圖9所示。

將麥克風(fēng)置于駕駛員右耳的位置，定置發(fā)動(dòng)機(jī)掃描車內(nèi)噪聲試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min以前，改裝前后車內(nèi)噪聲差別不大，從2 000 r/min到4 400 r/min，改裝后車內(nèi)噪聲明顯有改善。其中在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 315 r/min時(shí)車內(nèi)噪聲降了4.3 dB，3 671 r/min時(shí)降了10 dB，3860 r/min時(shí)降了4.5 dB。車身抖動(dòng)亦有明顯的減弱。采用改進(jìn)方案后，該微型車在行駛過程中車內(nèi)噪聲和振動(dòng)主觀感覺亦有明顯改善。

5 結(jié)論

本文基于有限元技術(shù)，對某微型車右懸置車身端支架進(jìn)行模態(tài)分析，對右懸置模型進(jìn)行動(dòng)剛度分析。基于仿真分析結(jié)果，最終提出右懸置優(yōu)化方案。車內(nèi)噪聲測試結(jié)果表明該優(yōu)化方案能夠有效改善車內(nèi)噪聲，驗(yàn)證了仿真分析及優(yōu)化方案的有效性。

1）有限元分析技術(shù)能有效的分析結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對設(shè)計(jì)方案的影響，并且能通過優(yōu)化技術(shù)得到較優(yōu)的合理解決方案。

2）基于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛度匹配原則優(yōu)化右懸置模型動(dòng)剛度，能有效改善車內(nèi)噪聲。

3）將微型客車改裝成方案f05后，發(fā)動(dòng)機(jī)在3 315 r/min時(shí)車內(nèi)噪聲降了4.3 dB，3 671 r/min時(shí)降了10 dB，3 860 r/min時(shí)降了4.5 dB，解決了該車型在3 000 r/min到4 000 r/min的噪聲問題。

［1］張立軍，靳曉雄，余卓，平周鉉.轎車車內(nèi)噪聲控制方法研究［J］.汽車工程，2002，24(1):15－19.

［2］Rong Guo，Shan Qiu，Qin－lin Yu，Hong Zhou and Li－jun Zhang.Transfer path analysis and control of vehicle structure－borne noise induced by the powertrain［C］.Journal of Automobile Engineering，2012.

［3］Norbert W.Alt，Norbert Wiehagen and Michael W.Schlitzer.Interior Noise Simulation for Improved Vehicle Sound［C］.Society of Automotive Engineers，Inc.2001，01：1539.

［4］龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006.