某車型車內轟鳴噪聲的分析與優化

劉林根 劉邦雄 許早龍 尹若愚 肖頤

摘? 要：針對某車型加速過程中發動機轉速2800rpm時引起的車內轟鳴問題，利用LMS Test.lab測試系統，對該車進行NVH測試。通過頻譜分析，找到引發車內轟鳴問題的頻率范圍，對相近模態的零部件進行排查，判斷為空調壓縮機系統模態偏低，與發動機工作頻率產生共振導致車內轟鳴，降低了車內聲品質。為此基于有限元仿真方法提高壓縮機系統的模態，避免與發動機在常用轉速下的共振，改善了車內轟鳴噪聲。

關鍵詞：轟鳴;模態分析;共振;頻譜分析

中圖分類號：U462.3? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2018）06-0060-05

Analysis and Optimization of Booming Noise a Vehicle

LIU Lin-gen， LIU Bang-xiong， XU Zao-long， YIN Ruo-yu， XIAO Yi

（ R&D Center of Jiangxi Changhe Automobile Co.， Ltd.， Jingdezhen 333002， China ）

Abstract： To solve the Booming noise problems at 2800 rpm of engine speed for a vehicle during acceleration， a NVH test was applied to analysis the problems by using LMS test system. Find the frequency range that caused the boom in the vehicle through spectrum analysis. After checking the components of the similar mode， it is judged that the mode of the air conditioning compressor system is low. And it caused boom in the vehicle due to resonate with frequency of engine work and air conditioning compressor system. Then the sound quality was reduced in the vehicle. In order to improve the booming noise， avoid the resonance of the engine at the common speed by improving the modal of compressor system based on finite element simulation method.

Key Words： boom; modal analysis; resonance; spectrum analysis

1? ? 前言

汽車的NVH（Noise Vibration Harshness）性能是汽車研發過程中重要的性能指標之一，車內噪聲的大小往往最能直觀體現汽車的NVH水平，對車內噪聲進行有效管控是保證整車NVH水平的主要手段之一。作為車內噪聲最常見的轟鳴問題，常常會給乘客帶來不舒適感，頭疼、情緒焦躁甚至惡心嘔吐。因此避免車內轟鳴在車內噪聲控制中顯得尤為重要[1-3]。

隨著CAE技術的快速發展，測試技術的不斷成熟。利用CAE分析技術結合試驗測試來考核汽車構件的振動特性、噪聲特性和疲勞耐久性等已經廣泛應用于現代汽車設計中。王海濤等[4]對轟鳴問題產生的原因進行了研究，確定轟鳴噪聲為車身地板的局部結構振動與空腔聲學耦合所引起的，通過提高局部剛度改變結構振動的固有頻率避免了共振，改善了車內轟鳴。李嘉通等[5]通過Hyperworks對空調壓縮機支架進行模態試驗與仿真分析，發現固有頻率偏低，改進支架結構，有效抑制支架的共振，車內轟鳴改善明顯。楊仕祥等[6]利用階次分析法和模態分析法對懸置進行優化，降低了車內轟鳴噪聲。

本文作者針對車內轟鳴噪聲問題，首先采用LMS Test.Lab數據采集系統的Signature Testing-Advanced模塊對某車型整車進行了客觀振動測試，獲取了轟鳴噪聲所在的頻率范圍，隨后對相近頻率范圍的零部件進行排查，判斷問題為壓縮機系統模態共振引起。以此為基礎，針對壓縮機系統模態進行優化，通過CAE仿真技術給定優化方案，提高其模態，并經過主觀評價和客觀測試，證明了該優化方案對車內轟鳴有顯著改善，為今后類似轟鳴問題的解決提供了有益參考。

2? ? 問題描述

對某車型在道路測評過程中經主觀評價發現，在2800rpm轉速左右車內出現“嗡嗡”壓耳的轟鳴噪聲。因此，本文主要針對2800rpm轉速附近的轟鳴現象進行分析和優化。

3? ? 轟鳴噪聲的試驗診斷與分析

3.1? ?整車試驗測試

測試設備采用LMS Test.Lab數據采集系統，如圖1所示，使用Signature Testing-Advanced模塊，對聲音作A計權處理，設定聲壓信號的采樣頻率為12800Hz，頻率分辨率為1Hz。參考車內噪聲測試標準，在駕駛員右耳處布置1個PCB麥克風傳感器，用于駕駛員耳旁的聲壓級，如圖2。

通過道路測試采集加速、勻速過程中車內噪聲測試數據，對數據作頻譜分析，獲取了2800rpm時車內噪聲的瀑布圖及頻譜圖，如圖3、圖4所示。其中，在瀑布圖中頻率為200Hz時的亮條特別突出，為共振特征，利用濾波器將該頻率成分去除，通過回放發現去除該頻率的聲音片段無轟鳴噪聲，判定轟鳴噪聲為單頻噪聲導致。在頻譜圖中也可發現單頻200Hz峰值處噪聲較明顯，其聲壓級為57.29dB（A）。

本車型搭載的發動機為四缸四沖程發動機，基于發動機工作噪聲的機理，由發動機引起的諧波階次頻率為：

式中：f 為發動機的諧波階次頻率，單位為Hz;n為發動機轉速，單位為rpm;r為發動機的諧波階次。

當發動機諧波階次r為4時，發動機在轉速為2800rpm的諧波階次為187Hz，與200Hz相近，初步判斷車內轟鳴為發動機的4階次激勵激發相關部件，引起共振產生。

3.2? ?相關部件模態試驗分析

模態試驗分析能夠得到結構的固有特性和模態振型，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷提供依據[7]。對相關部件的模態進行測試。應用LMS Test.Lab數據采集系統進行信號采集，設置采樣頻率為1600Hz，頻率分辨率為1Hz。布置PCB加速度傳感器于相關零部件上，經力錘敲擊測得各零部件模態參數，通過分析圖5所示的零部件頻響曲線可知，壓縮機系統的頻響曲線中出現了196Hz的峰值，基于頻響原理，推斷出峰值為壓縮機系統的1階固有頻率，與前文頻譜分析中的200Hz單頻噪聲出現的峰值相近。由此可以判斷在發動機轉速為2800rpm時，壓縮機系統的模態偏低，被發動機4階激勵所激起而引起了在該轉速下的共振，產生車內轟鳴噪聲，致使整車聲品質下降。為進一步驗證共振產生的原因，并對壓縮機系統模態進行優化，利用CAE仿真方法對其進行仿真計算。

4? ? CAE分析及優化

4.1? ?有限元模型建立

利用Hypermesh有限元軟件對壓縮機系統建立有限元模型。如圖6所示，在保證模型準確的前提下，對有限元模型進行了簡化處理，如壓縮機采用集中質量進行模擬，賦予壓縮機質量為7.8kg，其余零部件采用四面體單元進行網格劃分，單元總數為525914，節點總數為135015，壓縮機支架與壓縮機、發動機的螺栓連接選取RBE2單元進行模擬。

4.2? ?仿真分析

將已經建好的有限元模型導入MSC.Nastran中進行求解計算，計算結果如表1和圖7所示。前兩階振型分別為左右擺動和上下擺動，為驗證模型的準確性，將模態參數的仿真結果與實驗測試結果進行對比，從表1中可以看出，仿真結果與實驗吻合較好，誤差均小于5%，其中一階固有頻率的誤差僅為0.46%，驗證了仿真結果的準確性。

4.3? ?優化方案

針對該車型壓縮機系統1階固有頻率與發動機激勵共振，導致車內轟鳴噪聲問題，因此需提高壓縮機系統的1階固有頻率。現有車型壓縮機支架與發動機缸體通過螺栓連接，采用“鈍三角”非對稱布置形式，易導致壓縮機繞長邊擺動。為此，對壓縮機支架安裝點的布置方式進行優化，如圖8所示，優化方案為在發動機缸體上增加約41mm高的凸臺，凸臺內設置螺紋孔，通過螺栓與壓縮機支架連接，使得螺栓組的布置形式為近乎對稱的“四邊形”，能有效提高壓縮機系統的剛度。

將改進后方案在Hypermesh中進行有限元建模，材料屬性、網格劃分及邊界條件均未改變，加載相同工況提交MSC.Nastran求解計算，并與優化前結果作對比分析。優化前后壓縮機系統前2階模態對比見表2，從中可以看出，優化后的1階固有頻率為225.3Hz，提高了約30Hz，此時對應的發動機四階激勵為3375rpm，本車型轉速為3100rpm時，車速為140km/h。基于此，若發動機激發壓縮機系統，轉速必須達到3375rpm才可，實際駕駛過程中不會達到該轉速，因此優化后的壓縮機系統達成工程需求，滿足要求。

5? ? 優化方案試驗驗證

在對實車進行客觀測試前，選取兩輛整車，其中一臺為原狀態整車，編號為1號，另一臺為優化方案整改到位后的整車，編號為2號。對兩輛車進行主觀評價，經專業人員評價結果如下：1號車6檔加速過程中發動機轉速為2800rpm時車內轟噪鳴聲明顯，2號車6檔加速過程中發動機轉速為2800rpm時車內無轟鳴噪聲。然后采用LMS Test.Lab數據采集系統對2號車進行客觀測試，分析測試數據，并與優化前測試數據對比分析，如圖9和圖10所示。

從圖9中可以看出，優化后的實車在2800rpm時無亮條，轟鳴噪聲消除。從圖10中可以看出，優化前存在單頻約200Hz的噪聲峰值，為57.29dB（A），優化后無明顯峰值，在此頻率下單頻噪聲為44.94dB（A），單頻噪聲下降12.35dB（A），改善明顯。

6? ? 結論

為有效改善壓縮機系統共振引起車內轟鳴噪聲問題，提升車內聲品質，采用試驗測試與仿真分析相結合的方法，對壓縮機系統進行模態分析優化。得出如下結論：

1、在設計壓縮機支架安裝點時，應充分考慮螺栓組的分布方式，宜采用對稱幾何形狀布置，使得螺栓組的對稱中心與結合面中心重合。

2、采用有限元方法，利用CAE仿真分析結合試驗測試的方法，準確定位壓縮機系統與發動機共振問題，優化方案有效避開共振，為今后轟鳴問題的診斷和壓縮機系統的優化提供了案例支持和有益參考。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動——理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京：機械工業出版社，2017.

[3]王若平，張旭，夏仕朝，李文武.某MPV車內轟鳴噪聲試驗分析與降噪改進[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018，32（01）：28-34.

[4]王海濤，劉鵬，李平，姜元平.關于某SUV車內轟鳴聲的分析與研究[J].汽車工程學報，2012，2（06）：464-467.

[5]李嘉通，向宇，靳江濤，年猛.某車型空調壓縮機支架NVH性能分析與優化[J].機械設計與制造，2015（03）：58-61+64.

[6]楊仕祥，史文庫，陳志勇，商國旭，劉程.某商用車轟鳴問題的分析與控制[J].汽車工程，2018，40（02）：214-220.

[7]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.