客車NVH特性的車身地板優化分析

吳紹偉

摘 要 客車在高速行駛的過程中車身地板的中后部震動影響很大，容易影響客車的NVH特性，使NVH性能變差。本文主要運用有限元軟件制定了某客車車身的地板結構力學的有限元模型，分析了客車的車身地板的各項實驗數據值，找出了車身地板振動的原因，同時提出了車身地板優化方案，并對優化后的客車車身地板進行實驗驗證，實驗結果證明優化后的車身地板振動強度大量減弱，客車的NVH特性大大增強。

關鍵詞 客車；NVH特性；車身地板；優化

中圖分類號 U46 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0147-02

隨著現代化生活質量的提高，科學技術的快速發展進步，人們越來越重視客車的NVH特性，客車的NVH性能不僅影響了乘坐人員的舒適性，同時還是體現汽車的綜合性能的重要標準。在評價客車的整體性能時，客車在高速行駛的過程中由于外部作用力的振動導致地板產生局部振動，在長期振動之后，會讓乘務員的腳底變得麻木，影響客車車板的使用壽命，還會產生噪音污染，影響乘坐的舒適度，導致乘員身心疲憊，降低了汽車的NVH性能。因此如何避免客車的地板振動，優化客車的NVH特性是一個值得研究的話題。

1 客車NVH問題描述和原因分析

在客車的開發過程中，為了減少車內的噪音污染，從結構設計、材料選擇、制作工藝等方面進行降噪處理，例如：設計新型的隔熱降噪的發動機結構；采用電控硅油風扇，從而降低風扇轉動時帶來的噪音；在車身車體上涂抹耐石擊以及阻尼涂料；在車身結構上運用隔音降噪材料等方式。

但是這些降噪工藝運用之后，仍然存在一系列噪音和振動問題，例如：

1）客車在啟動和停止的時候，發動機會突然劇烈抖動，停止時抖動最厲害。通過分析得知其產生的原因是發動機型號和車型不匹配，發動機懸置和四缸機隔離振動效果差。

2）車輛在靜止和行駛過程中加速存在問題，發動機的噪音非常大。原因是：風扇轉動產生噪音，硅油風扇和離合器存在質量問題。

3）發動機處于3 000轉以上時聲音存在異常情況，并產生低沉的嘯叫聲。原因是：增壓器部分存在問題，每個車型匹配都有，無法解決。進氣和排氣系統需要進行密封檢查。

4）發動機在靜止加速和行駛加速時振動幅度很大，1 400rpm時車身產生共鳴聲。原因：發動機出現振動，并和底盤、車身系統共同振動。

通過對這些問題進行分析，查找了一系列原因發現，很多汽車的NVH問題主要涉及到發動機、車身和底盤等汽車的主要部位，而且各個系統之間的NVH問題又可以相互影響，如果不能綜合解決NVH問題，只是進行局部的解決方案，不能明顯消除汽車的NVH問題。

2 對車身地板結構的各項數據進行有限元動力學分析

2.1 建立車身地板有限元模型

為了確保車身地板的各項數據分析的正確性，將車身地板的CAD模型導入HyperMesh軟件中建立有限元模型。對車身和車架中的681 238個單元點進行建模，選用四邊形單元結構建立數值模型，把三角形的單元數量精密控制在5%以內，綜合考慮車身各個節點的連接作用。通過建立模型分析地板后部振動數據，采用MSC. Nastran軟件中的Lanczos方法計算車身地板自由模態，對各階的振動頻率進行統計分析。

由表1的各項數據可以得知，階次3—6都是地板局部振動，階次1和2地板向一邊振動，階次7是地板整體垂向高階彎曲振動，因此可以通過有限元模型對地板的振動情況進行一個詳細的分析。

2.2 車身地板振動頻率分析

在車輛行駛的過程中，由于路面不平整會導致車身振動，車身振動會導致地板振動，為了檢測車輛行駛中車身地板的頻響，可以運用正弦曲線來分析車身地板的振動負荷。由于地板擁有對稱的特點，所以可以選取地板的右側前負荷力作用點和后負荷力作用點制作正弦曲線，選取一部分數據綜合分析車身地板的振動頻率。

2.3 客車實際行駛中的振動測試分析

通過對客車的實際行駛進行觀察發現，在客車第五排座椅附近的地板振動強度比較劇烈，因此我們在該地板附近設置加速度傳感器進行測試，采集該處地板劇烈振動的頻率信號。在進行實驗之前，必須保證客車勻速行駛，然后在每個時間點對加速度信號數據進行統計分析。最后得出了加速度信號的每個階位的分析結果，從結果中得出，該處地板的劇烈振動一般發生在客車的傳動軸1.28階激勵位置和客車發動機的2階激勵位置，而且兩個位置的振動頻率波動范圍在45Hz～60Hz之間。

3 優化客車NVH特性和車身地板結構設計

3.1 優化客車的NVH特性

通過上述的一系列客車NVH問題，我們發現，要想從根本上解決客車的NVH問題，必須在開發和設計中進行完善，而不是等客車出現實際問題時再去解決問題，這種方法無異于是“亡羊補牢”。只有優化了客車的NVH特性，才能解決客車中存在的噪音污染和車身地板振動問題，所以在開發設計階段，必須按照客車的NVH標準指數進行衡量，才能提高客車的整體NVH特性。

3.1.1 設定NVH性能目標

這是優化客車的NVH特性的第一個階段，主要目的是設定NVH性能目標，并且要把NVH分解到客車的每個子系統部件上，可以從這幾個方面來考慮客車的NVH性能設計：1）滿足乘客對客車的舒適度要求，了解日常行駛中的車身振動和噪音情況；2）滿足政府對汽車的振動和噪音等級設定標準；3）對于一些新開發的車型，一定要認真研究樣車的型號和各項數據，了解汽車的各方面性能優缺點；4）了解汽車的各個零部件NVH標準數值。在設定樣車的NVH性能目標時，研究市場消費者對車輛的各項功能需求，建立車輛的各項NVH等級目標。對汽車在各種行駛狀態下的NVH特性有一個了解，例如：加速度、勻速、減速。在開發設計汽車的NVH性能時，各個子系統之間的設計既要有關聯性，也要獨立分開。

3.1.2 進行客車的NVH特性開發

在這一階段，必須對客車的各個系統零部件進行設計建模，并仿真分析方案的可行性，驗證設計目的的成功幾率。

首先根據設定的NVH目標，來確定各個系統零部件的設計方案，研究汽車的NVH設計方法。可以進行數學建模，明確系統各部件之間的動態關系。優化汽車部件元件的結構設計，實現系統的性能要求。對子系統的每個元件的特點進行確認，多元化優化設計各個子系統，提高車輛的NVH性能。在設計完成之后，需要對設計結果進行仿真分析，并將最優化的結構安裝在模型樣車上，檢查各個系統的質量和性能，對一些不合理的設計進行完善和改正。

3.1.3 實車調試優化NVH特性

在實車生產完成之后，需要把實車的各項特點與目標樣車進行對比，并對NVH特性進行調試，判斷是否有某些地方不合乎最初的目標。采集實車的各項行駛狀態下的NVH數據，例如：加速度、勻速、減速，進一步分析實車的NVH特性，對一些缺陷及時彌補，從整體上優化汽車的NVH特性，提高汽車的質量。

3.2 車身地板結構優化設計

加強客車后部座位處地板的橫梁剛度，客車中部的地板是整個客車的關鍵地位，必須加強這個位置的地板強度。為了考慮成本的經濟性和工藝的可靠性，可以增加客車后部的地板厚度，同時在客車的后部橫梁之間加裝一根和車架寬度相等的橫梁，橫梁的截面形狀必須和汽車原有的橫梁形狀一致，這樣就使客車的整體強度增加了，避免了發動機和傳動軸之間的工作使地板振動。優化了車身地板結構，加固了車身底板，提高了客車的整體NVH性能。

4 車身地板結構優化后的結果驗證和實車實驗驗證

在車身地板結構優化之后，對客車的各個階次的振動頻率和振動情況進行分析得出結論，各個階次的振動頻率相對于優化前性能都提高了10%之上，車身地板的各個局部區域強度提高后，激勵點速度逐漸降低了，這表示了車身地板結構的NVH特性提高了。

在實車的道路測試過程中，在車身的第五排座位處的地板上安裝多個加速度傳感器進行測試，最終得到測試結果。當車速達到110km/h，該處地板的振動頻率波動在40Hz～55Hz之間，振動強度得到明顯衰減。這說明在優化地板設計之后，客車的整體NVH性能得到優化。

5 結論

通過上述的一系列實驗分析得知，客車的NVH特性和車身地板優化設計和客車的零部件系統存在至關重要的聯系，必須根據地板的具體振動情況，提出合理的改進方案，在設計地板結構之前，必須建立科學、合理的樣車模型，對模型的靈敏度和形態進行分析，制定出高效合理的地板結構設計方案。隨著社會的進步和發展，在客車開發設計中要把NVH特性融入到每個系統環節中，提高設計的核心技術，引進國外先進技術，提高自主研發水平，為人們設計出舒適、優良的客車。

參考文獻

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