某車型轟鳴問題實驗控制方法研究

吳文江，董紅濤，劉佳

（1.石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

引言

NVH性能是衡量整車舒適性以及彰顯技術實力的重要標志，它是客戶能直接感受到的，一輛車能否贏得市場青睞，NVH性能已成為衡量標準。而轟鳴作為NVH性能的重要表現形式之一，不僅影響客戶對整車舒適性的評價，而且會極大影響駕駛安全性，因此避免轟鳴現象的發生顯得尤為重要。

近年來，NVH分析理論與仿真技術比較成熟，一些學者和領域技術人員運用試驗與 CAE仿真相結合的技術解決了某些工況下的轟鳴問題，如：閆碩等針對某款SUV怠速車內轟鳴問題運用有限元分析、模態試驗和ODS等仿真和測試技術，使車內轟鳴聲在問題頻率處幅值大幅降低，取得了很好的效果[1]。穆國寶等通過有效的理論計算和CAE分析技術并結合試驗有效的解決了某車型的加速轟鳴問題[2]。但實際上建立仿真模型所需的邊界條件誤差還是達不到實際運用所要求的精度，新車上市前通過試驗方式對整車各系統（如懸架系統+汽車傳動系統+動力總成系統等）進行調校仍然是目前最真實、最有效的開發步驟，也是新車上市前的最后一道改進措施[3]。

本文針對某汽車品牌即將上市的新車型加速工況下3600rpm附近存在的前排轟鳴問題，應用LMS Test.lab軟件進行實驗測試診斷，提出了解決該問題的方案并通過實驗驗證了方案的有效性，對同類問題的控制具有借鑒意義。

1 轟鳴噪聲產生機理

汽車乘坐室內是一個充滿空氣的密閉空間，而作為彈性體的空氣會在密閉的乘坐室內形成許多振動模態或聲腔模態，當密閉的乘坐室受到壓縮時，就會產生體積變化并有很高的阻抗，與乘坐室內的空氣的聲腔模態在低頻范圍內有很強的耦合作用。這種低頻的耦合模態在激勵作用下如果響應過大，便會在車內產生很高的壓力脈動，引起人耳不適，甚至出現頭暈、惡心等癥狀，這種現象被稱為轟鳴聲（Boom）[4]。可見轟鳴聲是在激勵源作用下經傳遞路徑到達車身使車身壁板某部分的振動與聲腔模態耦合而產生的結果，因此要解決轟鳴噪聲問題首先需要找到激勵源，以確定激起聲腔模態的頻率，然后可以采用控制激勵源、傳遞路徑或者響應的措施對轟鳴聲加以控制。

2 轟鳴聲實驗測試分析

2.1 激勵源分析

試驗車輛為某汽車品牌的CVT車型，發動機為直列四缸四沖程發動機。主觀評價該車型在D檔緩油門加速工況下，發動機轉速在3600rpm附近時駕駛室轟鳴聲明顯。根據主觀評價結果在干燥瀝青路面上對該車型進行噪聲測試， 發現發動機轉速在3600rmp附近噪聲聲壓總級存在明顯的峰值，達到73.6dB，這與主觀評價吻合，并且2階噪聲在3600rpm附近貢獻量最大，圖1所示。

圖1 D檔緩油門加速駕駛員右耳噪聲總級及階次

分析 colormap圖發現該噪聲的能量分布具有很明顯的階次性，并且3500-3700rpm，116-123Hz存在明顯的共振帶，這是導致2階噪聲能量貢獻大的原因，圖2所示。

圖2 駕駛員座椅右耳噪聲colormap圖

由以上分析可確定該轟鳴噪聲的頻率為120Hz附近。由直列四缸四沖程發動機的固有特性可由下式計算發動機的點火階次頻率：

其中i=2，n=3600rpm帶入上式可得f=120Hz。結合發動機振動引起的噪聲具有明顯的階次能量分布的特點[5]，可確定該轟鳴噪聲問題的激勵源為發動機2階激勵。

2.2 響應點振動分析

為確定是否有車身板件與聲腔模態耦合，應用LMS Test.lab軟件中的Spectral -Testing模塊進行聲腔模態測試得到前兩階聲腔模態，如圖3、圖4所示。一階模態頻率63.7165Hz，二階模態頻率122.5922Hz，可見確實有車身板件在120Hz附近與二階聲腔模態耦合。

圖3 一階聲腔模態

圖4 二階聲腔模態

該轟鳴聲主要集中于車內前排，對頂棚前部以及前左右車門鈑金件較薄弱部位進行NTF（Noise Transfer Function）測試。測試結果表明在120Hz頻率附近駕駛員右耳處噪聲都有較明顯的峰值，如圖5至7所示。后續將對這些位置的振動噪聲進行優化控制。

圖5 頂棚NTF曲線

圖6 前左車門NTF曲線

圖7 前右車門NTF曲線

2.3 傳遞路徑分析

由于該轟鳴噪聲的激勵源為發動機2階激勵，故優先考慮發動機右側的傳遞路徑， 初步判斷該轟鳴聲的傳遞路徑為：發動機→右懸置→右前縱梁→車身→轟鳴。

針對上述傳遞路徑，在懸置、右前縱梁位置布置三向加速度傳感器，在干燥瀝青路面上D檔緩油門加速工況下進行多組道路測試，結果顯示車身右前縱梁2階Y向振動在發動機轉速3600rpm附近有明顯峰值對駕駛員座椅右耳聲壓總級貢獻量較大，如圖8所示。驗證了上述傳遞路徑分析的正確性。

圖8 傳遞路徑分析圖

3 轟鳴噪聲控制方案

3.1 優化方案分析

基于源-傳遞路徑-響應的NVH控制思路，針對該轟鳴問題可以從激勵源、傳遞路徑、響應點3個方面加以控制。該車型屬于新車上市前的最后調校階段，發動機已經定型對激勵源即發動機的調整已經沒有可行性；對振動噪聲的傳遞路徑進行控制是解決 NVH問題的普遍做法，也是最有效的做法；對響應點的控制主要是通過聲學包裝衰減振動噪聲。

綜合考慮成本及結構空間的可操作性，最后決定采取在前左右車門以及前頂棚內鈑金部位附加瀝青阻尼片及在車身右前縱梁位置懸垂安裝動力吸振器的綜合優化措施對該轟鳴問題加以控制。

3.2 阻尼動力吸振器設計

根據鄧哈托等人由固定點理論得到的優化結果設計阻尼動力吸振器，主要設計步驟如下：

（1）選擇合適的質量比，確定動力吸振器的質量 m。計算公式為 m=μ×Mr其中 Mr為主振動系統的質量，μ為動力吸振器與主振動系統的質量比，一般 μ的取值范圍為0.1-0.3。考慮到布置空間及成本問題，一般動力吸振器的質量不宜超過 2Kg，這里取 μ=0.1，選擇的動力吸振器的質量m=2Kg。

（2）根據最佳調諧比λ確定動力吸振器的固有頻率和動剛度。

式中 ωa動力吸振器的固有圓頻率；ωn為主振動系統的固有圓頻率；fa為動力吸振器固有頻率；fn為主系統固有頻率；k為動力吸振器動剛度。

（3）根據最佳阻尼比公式，計算粘性阻尼系數ηa。

（4）根據以上動力吸振器設計參數，充分考慮布置、結構等因素設計動力吸振器，然后將動力吸振器懸垂布置于車身右前縱梁位置，安裝狀態如圖9所示。

圖9 動力吸振器安裝位置

4 轟鳴控制方案試驗驗證

4.1 加阻尼片方案驗證

車身壁板屬于輕薄結構，而輕薄結構有容易產生振動噪聲的問題，控制這種振動噪聲的一個有效方法就是在結構局部附加阻尼材料。所謂阻尼減振技術，就是將高阻尼材料附著在結構件表面，通過耗散結構件的能量達到減振目的。這種方法不改變機器的聲輻射特征，卻能有效控制其振動水平，從而使噪聲減小[6]。在頂棚前部以及前左右車門內鈑金件較薄弱部位粘貼瀝青阻尼片，在干燥瀝青路面上，測試D檔緩油門加速工況下駕駛員右耳處的噪聲，結果表明附加瀝青阻尼片之后在發動機轉速3600rpm附近駕駛員右耳處的噪聲聲壓總級有明顯下降，由73dB左右下降到70dB左右，優化效果明顯，見圖10。

圖10 加阻尼片測試效果

4.2 阻尼片和動力吸振器綜合優化方案驗證

在4.1優化方案的基礎上，在車身右前縱梁位置懸垂安裝動力吸振器，路試結果表明通過在前左右車門、前頂棚內鈑金部位附加瀝青阻尼片以及在車身右前縱梁位置懸垂安裝動力吸振器的綜合優化措施，發動機轉速3600rmp附近的駕駛員右耳處的噪聲聲壓總級由73dB左右降為67dB左右，并且曲線的線性度也有明顯改善。客戶試駕主觀感受和測試結果相符，完全滿足了客戶要求，見圖11。

圖11 阻尼片加動力吸振器綜合測試效果

5 結語

本文針對某汽車品牌即將上市的 CVT新車型存在的 D檔緩油門加速工況下發動機轉速3600rpm附近時車內前排轟鳴噪聲明顯問題，經過實驗測試分析，確定了該轟鳴聲的激勵源及發生耦合的模態頻率，分析了車身壁板的振動，找到了該轟鳴聲的主要傳遞路徑并設計了動力吸振器，在此基礎上制定了解決該轟鳴噪聲問題的綜合優化控制措施，并通過實驗驗證了控制措施的有效性，最終使該轟鳴噪聲由 73dB左右降為67dB左右，滿足了客戶的要求。