輕卡駕駛室振動(dòng)及聲學(xué)環(huán)境分析

徐從新

摘要：NVH特性作為消費(fèi)者體會(huì)最為直接和表面的汽車特性之一，在汽車的開發(fā)研究和實(shí)際生產(chǎn)中，扮演著極其重要的角色。研究車內(nèi)噪聲情況，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)有著較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)利益，對(duì)消費(fèi)者而言，人體的健康是重中之重。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和試制階段，針對(duì)車內(nèi)噪聲方面進(jìn)行研究，并達(dá)到有效地控制噪聲的目的。

關(guān)鍵詞：輕卡駕駛室；試驗(yàn)測(cè)試；振動(dòng)；聲學(xué)環(huán)境

駕駛室的振動(dòng)是影響整車動(dòng)態(tài)特性與駕駛舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于輕卡而言，整車的舒適性主要針對(duì)駕駛室而言的。在駐車狀態(tài)下，某輕卡樣車發(fā)動(dòng)機(jī)升速至2 500 r/min 附近時(shí)，人體主觀感覺(jué)該樣車駕駛室有明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。由于這種振動(dòng)發(fā)生在常用車速范圍內(nèi)，因此必須加以控制。引起駕駛室振動(dòng)的因素是多方面的，如何找出振動(dòng)的原因是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題。

一、概述

1.輕卡的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)大都通過(guò)彈性支承安裝在車架上，這種彈性支承又稱為懸置。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是指連接動(dòng)力總成（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器等）與車架間的一切彈性支撐的總和。該輕卡樣車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)采用三點(diǎn)支撐，即2 個(gè)前懸置（分別稱左前懸置、右前懸置）和1 個(gè)后懸置。并稱與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的上支架為主動(dòng)端支架，與副車架相連的下支架為被動(dòng)端支架。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)采取隔振措施，都有一個(gè)如何評(píng)價(jià)隔振效果的問(wèn)題。通常是將采取隔振措施前后結(jié)構(gòu)的某個(gè)振動(dòng)量做比較，以此評(píng)價(jià)隔振效果。測(cè)量動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果時(shí)，通常選擇懸置安裝點(diǎn)和車內(nèi)座椅滑槽附近的振動(dòng)量為評(píng)估對(duì)象。理論上認(rèn)為，以總的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量或表面平均振動(dòng)能量密度來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)是最為合適的。隔振量是指發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)經(jīng)過(guò)懸置傳遞到車身后振動(dòng)能量衰減的大小。振動(dòng)能量衰減越大，則隔振量越大，即說(shuō)明懸置的隔振效果越好。但振動(dòng)能量在實(shí)際中無(wú)法直接測(cè)到。由于加速度傳感器靈敏度高、頻率范圍寬、線性動(dòng)態(tài)范圍大、被測(cè)信號(hào)較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此加速度被廣泛作為直接測(cè)量對(duì)象。并且，在某種假設(shè)下，經(jīng)測(cè)量得到的加速度均方值正比于平均振動(dòng)能量密度。因此，通常直接測(cè)量懸置支架主動(dòng)端和被動(dòng)端的加速度來(lái)求出隔振量。

2.輕卡振動(dòng)的傳遞路徑分析。傳遞路徑分析法是一種基于試驗(yàn)的振動(dòng)與噪聲分析方法，可解決激勵(lì)源―路徑―響應(yīng)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。該方法是一種通過(guò)分析主要振動(dòng)的來(lái)源，以便于進(jìn)行系統(tǒng)有的放矢改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法。因此，對(duì)改善汽車NVH性能更具有針對(duì)性。就該輕卡樣車而言，駕駛室的激勵(lì)源主要有路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)。由于樣車是處于駐車狀態(tài)，因此其主要的激勵(lì)源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。若要降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)駕駛室的影響，最有效的辦法是調(diào)整傳遞路徑上的部件參數(shù)，達(dá)到減振與隔振的目的。因此，須首先從發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源開始，對(duì)該樣車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振效果進(jìn)行測(cè)試。

二、輕卡駕駛室振動(dòng)及聲學(xué)環(huán)境分析

1.試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析。一是測(cè)試儀器。測(cè)試儀器主要有7 個(gè)三向加速度傳感器、轉(zhuǎn)速表和BBM振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集儀及配套的分析軟件。二是試驗(yàn)工況的定義和選擇在整個(gè)試驗(yàn)中有著相當(dāng)重要的地位。試驗(yàn)工況的選擇要能夠反映出動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在正常的駕駛工況中的隔振效果。其中，怠速工況是常見的駕駛工況，此工況下人體對(duì)車內(nèi)的振動(dòng)噪聲最為敏感。升降速工況主要體現(xiàn)駕駛車輛時(shí)的加速和減速，此工況的測(cè)試可以反映出動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)大扭矩輸出下的各項(xiàng)性能。而原地升速工況是在整車不能外出試驗(yàn)又沒(méi)有轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)時(shí)代替正常加速工況。摸底測(cè)試的測(cè)試工況主要是選擇怠速工況和原地升速工況這兩種工況。三是結(jié)果分析。怠速工況下，對(duì)于車內(nèi)測(cè)點(diǎn)，一般要求各向振動(dòng)加速度值均方根總和不要超過(guò)0.4 m/s2。故怠速時(shí)車內(nèi)的振動(dòng)滿足要求。由以上分析可知，通過(guò)振動(dòng)傳遞路徑分析和摸底測(cè)試，初步診斷出輕卡樣車駕駛室振動(dòng)的原因是由于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的橫向隔振不理想所致。發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的不平衡力或力矩，經(jīng)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)幾乎全部傳遞至前副車架，進(jìn)而引起駕駛室的振動(dòng)。

2.駕駛室NVH 仿真模型的建立與驗(yàn)證。為了還原輕卡駕駛室在實(shí)際工作中的數(shù)學(xué)行為特征，給后續(xù)的仿真分析提供基礎(chǔ)，應(yīng)首先建立輕卡駕駛室有限元模型。輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型利用有限元軟件建立，輕卡駕駛室聲腔有限元模型利用建立，并分別進(jìn)行模態(tài)分析，運(yùn)用軟件將駕駛室結(jié)構(gòu)有限元模型和聲腔有限元模型耦合。在耦合模態(tài)中，結(jié)構(gòu)變形會(huì)影響聲壓分布，聲壓變化也會(huì)影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)，所以需要對(duì)輕卡駕駛室結(jié)構(gòu)- 聲腔耦合模型進(jìn)行模態(tài)分析。利用LMS Virtual.Lab 對(duì)駕駛室的耦合模態(tài)進(jìn)行疊加運(yùn)算，駕駛室結(jié)構(gòu)計(jì)算模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)對(duì)應(yīng)固有頻率相對(duì)誤差在10% 以內(nèi)，能夠反映實(shí)際駕駛室結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有特性，可以用作 NVH 特性分析。將駕駛室耦合模態(tài)與對(duì)應(yīng)的駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)與聲腔在模態(tài)分析中會(huì)產(chǎn)生相互作用，對(duì)駕駛室內(nèi)聲壓分布產(chǎn)生影響，所以在對(duì)駕駛室聲場(chǎng)的預(yù)測(cè)過(guò)程中采用駕駛室聲固耦合有限元模型。

3.駕駛室NVH 特性分析。為了研究輕卡駕駛室 NVH 特性，以駕駛室與駕駛室懸置連接處的激勵(lì)信號(hào)作為激勵(lì)，利用有限元的方法對(duì)駕駛室振動(dòng)和聲學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析。分別對(duì)駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁的聲壓級(jí)分布情況進(jìn)行仿真，分析車身結(jié)構(gòu)板件聲學(xué)貢獻(xiàn)量。輕卡駕駛室懸置上端振動(dòng)為駕駛室振動(dòng)的直接激勵(lì)源，因此對(duì)駕駛室與這四個(gè)懸置的連接處施加激勵(lì)。選取頻率范圍0-400Hz 的模態(tài)參與計(jì)算，模態(tài)阻尼比為1%。選取頂棚中央前部、頂棚中央后部、前圍中央、后圍中央、駕駛員側(cè)地板、副駕駛側(cè)地板、右側(cè)后地板、左側(cè)后地板這8個(gè)節(jié)點(diǎn)作為響應(yīng)點(diǎn)，提取在這些位置處振動(dòng)響應(yīng)情況，作出8 個(gè)響應(yīng)點(diǎn)各方向的位移響應(yīng)曲線和加速度響應(yīng)曲線。主要原因是頂棚面積大，缺少加強(qiáng)部件，因此在激勵(lì)下容易發(fā)生較大的振動(dòng)。因此可以通過(guò)在頂棚振動(dòng)峰值處加強(qiáng)部件布置的方法有效改善其振動(dòng)情況。利用已建立的駕駛室聲固耦合模型，通過(guò) Acoustics 模塊仿真預(yù)測(cè)車內(nèi)聲場(chǎng)的響應(yīng)。對(duì)駕駛室車內(nèi)聲場(chǎng)的預(yù)測(cè)采用計(jì)權(quán)聲壓級(jí)來(lái)表示，將采集到的聲信號(hào)進(jìn)行修正，使數(shù)據(jù)更加符合符合人耳對(duì)聲音的主觀感覺(jué)。在分析隨機(jī)激勵(lì)下耦合聲場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)，在駕駛室與四個(gè)懸置連接處分別施加駕駛室懸置上端三個(gè)方向的力信號(hào)，依據(jù)聲學(xué)- 汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法中傳聲器位置選擇聲壓檢測(cè)點(diǎn)位置，利用聲學(xué)有限元模塊來(lái)預(yù)測(cè)車內(nèi)的聲場(chǎng)。駕駛員右耳旁和副駕駛左耳旁計(jì)權(quán)聲壓級(jí)曲線趨勢(shì)基本一致，其中駕駛員右耳旁最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在57Hz 處，頂蓋的振動(dòng)較大，為主要噪聲源。副駕駛左耳旁最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在92Hz 處，頂蓋橫梁處以及前圍左下方的振動(dòng)較大，為主要噪聲源。為了驗(yàn)證仿真的正確性，以駕駛員右耳旁為例進(jìn)行實(shí)測(cè)，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。在輕卡駕駛室中，各個(gè)板件和區(qū)域都會(huì)對(duì)駕駛室聲場(chǎng)產(chǎn)生不同聲壓貢獻(xiàn)量，所以優(yōu)化駕駛室的聲場(chǎng)需要進(jìn)行駕駛室聲學(xué)板塊貢獻(xiàn)量分析。將駕駛室劃分為前擋風(fēng)、前圍板、左側(cè)車門、左側(cè)車窗、頂蓋、右側(cè)車門、右側(cè)車窗、后圍、后地板、前地板10 個(gè)板件，通過(guò)適當(dāng)增加板件厚度，調(diào)整頂蓋加強(qiáng)筋位置，加強(qiáng)車門與地板之間的連接關(guān)系等方法，可以達(dá)到改善駕駛室聲學(xué)環(huán)境的效果。因考慮輕量化問(wèn)題，板件厚度不可過(guò)度增加。

為了優(yōu)化輕卡駕駛室的聲學(xué)環(huán)境，本文以輕卡駕駛室為研究對(duì)象，在不改變懸置模具的情況下，通過(guò)改變懸置橡膠材料的邵氏硬度，有效控制了該輕卡樣車駕駛室的振動(dòng)。

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