階次分析在汽車轟鳴問題控制中的應用

李靜波 王暉

（華晨汽車工程研究院）

汽車NVH 是影響汽車舒適性的重要因素。NVH問題中的轟鳴會引起人耳不適，甚至出現頭暈和惡心等癥狀[1]。在汽車概念設計階段，找到激勵源并降低激勵力是解決汽車轟鳴問題的正確方法，為此研究人員做了很多工作來降低汽車轟鳴噪聲[2-4]。文章對某車型的轟鳴問題進行了噪聲源識別與分析，采用階次分析技術，確定了轟鳴問題的主要階次，并鎖定轟鳴的問題頻率，借助CAE 手段提出了優化方案。

1 階次噪聲

在旋轉和往復式機械運動中，零部件的結構特性、載荷的變動和運動部件的缺陷會引起振動，并相應地輻射噪聲。

階次（O）的數學定義是旋轉機械部件的工作頻率（f/Hz）（如齒輪的嚙合頻率）與轉速（n/（r/s））的比值。對齒輪類零件，齒數（Z）就是它的階次，即：

對發動機來說，通常定義曲軸旋轉對應的頻率為基頻，即1 階，基頻的m 倍的噪聲被稱為m 階噪聲。

2 轟鳴問題的分析及優化

2.1 問題描述

對某車型進行主觀評價發現，在2 擋全油門加速工況下，車內在3 600 r/min 左右存在明顯轟鳴聲，對該車進行了噪聲測試，分析結果，如圖1所示。

分析圖1 可發現，車內在240 Hz 左右存在明顯共振，是導致4 階在3 600 r/min 能量偏大的原因。此外，240 Hz 共振還會導致很多階次被放大，由于噪聲的全階是由噪聲的各個階次綜合作用的結果，如果對240 Hz的共振問題進行優化，車內的很多階次噪聲會得到降低，從而，車內很多轉速下的噪聲會得到優化，表1 示出240 Hz 與車內各階次的轉速對應表。

表1 240 Hz 與車內各階次的轉速對應表

圖2 示出2 擋加速車內噪聲及階次，是圖1 的階次切片圖。

分析圖2 可知，車內噪聲的全階在3 600 r/min左右的峰值主要與4 階噪聲相關。車內噪聲全階在2 400 r/min 左右的小峰值與噪聲6 階相關；車內噪聲全階在1 800 r/min 左右的峰值主要與噪聲8 階和噪聲4 階相關；車內噪聲全階在1 440 r/min 左右的峰值主要與噪聲10 階相關。前述分析結論的問題轉速與表1提到的轉速基本對應。

2.2 問題原因分析

基于前述分析，結合整車模態分布表，初步鎖定壓縮機支架模態頻率與問題模態頻率比較接近。圖3 示出壓縮機支架頻響測試結果。圖3 的測試結果顯示，壓縮機支架的頻響測試頻率約為240 Hz。

2.3 整改驗證分析

結合工藝可行性，將壓縮機的安裝點個數由原來的3 個優化為4 個，如圖4所示。

采用CAE 手段對優化后壓縮機進行支架模態頻率分析，分析結果顯示，模態頻率提高了約21 Hz。

將優化后樣件裝車測試，并與原狀態下車內噪聲的測試結果對比，如圖5～圖9所示。

分析圖5 可知，壓縮機模態頻率提高后，車內噪聲在很多轉速都有降低，而噪聲降低的轉速區間與表1中提到的轉速區間對應。在車內噪聲有改善的每個轉速區間，車內噪聲降低的幅值不同。

分析圖6～圖9 可知，車內各階次噪聲在與240 Hz對應轉速下（如表1所示），都有不同程度的降低，其中：噪聲4 階在3 600 r/min 降低了約 12 dB；噪聲6 階在2 400 r/min 降低了約11 dB；噪聲8 階在1 800 r/min降低了約9 dB；噪聲10 階在1 440 r/min 降低了約9 dB。

對比圖5 與圖6～圖9 可知，壓縮機支架模態頻率提高后，單一階次在改進前240 Hz 對應轉速的噪聲降低量明顯大于全階在該轉速的噪聲降低量，這主要與階次噪聲對噪聲全階在相應轉速的貢獻率相關。

3 結論

在產品概念設計階段，可廣泛使用CAE 分析方法，避免后期重復開發設計導致的各種成本浪費。階次分析方法是汽車NVH 分析與優化的有效工具。單一頻率的共振問題會導致車內很多噪聲峰值變大，通過優化共振問題來解決車內單一噪聲峰值問題，會降低車內噪聲的很多峰值。在某一轉速，單一階次噪聲降低量明顯大于全階在該轉速的噪聲降低量，這主要與階次噪聲對噪聲全階的貢獻率相關。