某SUV低轉(zhuǎn)速車內(nèi)轟鳴問題的分析與解決方法

韓炯剛 孫健穎 劉佳 武俊杰

摘? 要：某SUV在加速過程中當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1880rpm時(shí)存在明顯轟鳴聲，該轉(zhuǎn)速段附近為常用轉(zhuǎn)速段，嚴(yán)重影響乘客主觀感受及車輛品質(zhì)，通過試驗(yàn)與仿真分析相結(jié)合的方法，從噪聲源及傳遞路徑（空氣和結(jié)構(gòu)方面）對(duì)轟鳴聲產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和驗(yàn)證，確認(rèn)該轟鳴聲受排氣系統(tǒng)、車身側(cè)圍鈑金件和后背門模態(tài)共同影響，綜合考慮可實(shí)施性與成本，逐一解決，達(dá)到消除轟鳴聲的效果。通過試驗(yàn)與仿真分析，為低轉(zhuǎn)速車內(nèi)轟鳴聲的解決提供實(shí)際的有限措施，具有較大的工程參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：轟鳴聲;排氣系統(tǒng);模態(tài);動(dòng)力吸振器

中圖分類號(hào)：U467.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0068-05

Abstract： When the engine of an SUV is speeding up at 1880 RPM， it will has obvious roar. The vicinity of the range of rotating speed is a common rotating speed range. This will seriously influence passengers subjective feelings and the quality of the car. Through the methods of the simulation and experiment， the causes of noise and validation can be analyzed and tested. Confirmed the roar mutual influenced by modal of Exhaust system of the vehicle， Sheet metal parts on the side of the body and the back door. Take a Comprehensive consideration of implementability and cost step by step， eliminating roar can be achieved.

Key Words： low speed roar; Sheet metal mode; Dynamic vibration absorber

1? ? 前言

當(dāng)今社會(huì)汽車逐漸普及，使消費(fèi)者對(duì)車輛的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的要求越來越高。車輛的NVH性能是衡量整車性能的重要指標(biāo)，而轟鳴聲作為NVH性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵項(xiàng)目，在開發(fā)過程中應(yīng)加以避免[1][2]。對(duì)于搭載四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，低轉(zhuǎn)速的轟鳴聲大多為動(dòng)力總成與進(jìn)排氣系統(tǒng)二階次的激勵(lì)傳遞至車身，引起局部鈑金件或結(jié)構(gòu)模態(tài)被激發(fā)從而引發(fā)人耳強(qiáng)烈的壓耳感[3][4]。

本文以開發(fā)過程中的某款SUV為例，通過試驗(yàn)與仿真分析相結(jié)合的方法，確認(rèn)引起車內(nèi)轟鳴的主要部件，通過排氣系統(tǒng)優(yōu)化、增加側(cè)圍鈑金補(bǔ)強(qiáng)板和后背門動(dòng)力吸振器三種方案改善車內(nèi)轟鳴聲。

2? ? 理論分析

階次噪音通常指在旋轉(zhuǎn)和往復(fù)式機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，零部件的結(jié)構(gòu)特性、載荷的變動(dòng)和運(yùn)動(dòng)部件的缺陷會(huì)引起振動(dòng)，并相應(yīng)地輻射噪聲[4]。

某SUV樣車在起步加速過程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1880rpm附近時(shí)，后排乘客可以聽到明顯轟鳴聲，壓耳感嚴(yán)重，但前排駕乘人員無此相關(guān)感受。通過3檔全油門加速工況采集右后乘客總聲壓級(jí)曲線進(jìn)行階次分析，得到2、4、6階次噪聲曲線，可以看出在1880rpm附近2階次曲線峰值突出，接近66dB（A），緊挨總聲壓級(jí)曲線，因此可以判斷該轟鳴產(chǎn)生的主要貢獻(xiàn)量為2階次噪聲，如圖1所示。

由于該SUV搭配四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，因而根據(jù)其本身固有特性，可以計(jì)算出點(diǎn)火頻率為[5]

其中i為噪聲與振動(dòng)的階次，n為發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速，因此可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)在1880轉(zhuǎn)附近2階次噪聲頻率為61Hz。

3? ? 試驗(yàn)分析

3.1? ?排氣系統(tǒng)噪聲試驗(yàn)

排氣系統(tǒng)噪聲包括空氣噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲[6]。根據(jù)以上理論分析得出的車內(nèi)61Hz附近轟鳴聲，主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生壓力波進(jìn)行加速工況內(nèi)排氣系統(tǒng)噪聲試驗(yàn)，對(duì)這個(gè)壓力波在排氣系統(tǒng)中傳播而形成的基頻空氣噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。

該試驗(yàn)為排除風(fēng)噪與輪胎噪聲等外界因素影響，在整車半消聲室進(jìn)行并用吸隔聲材料屏蔽輪胎噪聲影響。在排氣管口軸線45度，距離50cm處布置麥克風(fēng)進(jìn)行噪聲信號(hào)采集，試驗(yàn)照片及采集排氣管口3檔全油門工況噪聲曲線如圖2、圖3所示：

通過對(duì)采集的噪聲信號(hào)進(jìn)行處理分析，在2000轉(zhuǎn)之前排氣系統(tǒng)轟鳴聲嚴(yán)重，且1500-1900轉(zhuǎn)2階峰值突出，與車內(nèi)噪聲問題頻率對(duì)應(yīng)。

3.2? ?車身試驗(yàn)

在61Hz頻率附近，車身的左后側(cè)圍鈑金與后背門存在模態(tài)，對(duì)車身側(cè)圍鈑金進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，如圖4所示，可以看出左后側(cè)圍鈑金的Y向存在60Hz模態(tài)頻率;同時(shí)針對(duì)后背門CAE仿真結(jié)果，如圖5所示。對(duì)后背門進(jìn)行整體ODS測試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在1880rpm附近，后背門左下部分存在明顯局部振型，如圖6所示：

4? ? 優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1? ?排氣系統(tǒng)優(yōu)化

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用GT-Power建模進(jìn)行仿真優(yōu)化[7]，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)各主要部件模型，如圖7所示，模擬加速過程發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得出數(shù)據(jù)。

加速工況優(yōu)化前后數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)曲線對(duì)比如圖8、9、10所示。可以看出優(yōu)化后，噪音分貝明顯降低，由未優(yōu)化之前試驗(yàn)范圍的百分之七十五（1000至3000rpm之間）在70db以上，改善為百分之八十五以上為70分貝以下;排氣管口加速噪聲、右后左耳加速噪聲均有顯著降低，并且在測試范圍內(nèi)，排氣管口噪音大部分有了降低，右后左耳噪聲均有了降低。

4.2? ?車身鈑金件優(yōu)化

通過對(duì)車身左后側(cè)圍鈑金增加局部補(bǔ)強(qiáng)板如圖11所示，車內(nèi)右后乘客左耳1800rpm的2階次峰值降低4dB左右，同時(shí)側(cè)圍鈑金振動(dòng)峰值消失，改善明顯，但主觀仍存在壓耳感，不可接受。

4.3? ?后背門安裝動(dòng)力吸振器

當(dāng)前動(dòng)力吸振器技術(shù)主要分為主動(dòng)式、半主動(dòng)式、被動(dòng)式吸振三種方式，這三種技術(shù)由于所具有的不同優(yōu)缺點(diǎn)，從而廣泛地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，而被動(dòng)式吸振器由于其低成本、高功率密度、高可靠性和對(duì)窄頻段具有良好的吸振效果從而廣泛應(yīng)用于汽車調(diào)校領(lǐng)域[8]，將后背門振動(dòng)過大的局部鈑金視為一個(gè)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在振動(dòng)模態(tài)較大的中心增加被動(dòng)式動(dòng)力吸振器，即可構(gòu)成一個(gè)兩自由度質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)，從而可以有效地抑制該頻率的振動(dòng)及聲音的輻射，圖14為此振動(dòng)系統(tǒng)等效模型[9]。

顯然設(shè)計(jì)吸振器的目標(biāo)是為了減弱原系統(tǒng)振幅大小。根據(jù)主振系統(tǒng)質(zhì)量和固有頻率選擇吸振器質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量比μ=m2/m1，并確定最佳頻率比λ=1/（1+μ），從而確定吸振器彈簧剛度k2=m2×ω2。

因此根據(jù)此原理，在后背門上振動(dòng)較大的部分安裝設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振器，如圖15所示：

通過加裝動(dòng)力吸振器，再次進(jìn)行優(yōu)化分析，車內(nèi)右后乘客內(nèi)耳在1800rpm附近振動(dòng)峰值改善6dB左右，主觀壓耳音消失。

5? ? 總結(jié)

針對(duì)某SUV的低轉(zhuǎn)速轟鳴問題，首先要確定轟鳴聲的特性以找到激勵(lì)源，其次通過CAE仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方式來確定對(duì)轟鳴聲貢獻(xiàn)大的結(jié)構(gòu)部位。在轟鳴聲控制方面，提出優(yōu)化排氣系統(tǒng)、加強(qiáng)車身側(cè)圍鈑金、安裝動(dòng)力吸振器來削弱結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲腔模態(tài)的耦合作用。通過試驗(yàn)證明了分析方法的正確性以及控制方法的有效性。為新車開發(fā)過程中提供目標(biāo)值設(shè)定依據(jù)，推薦主要部件結(jié)構(gòu)頻率及響應(yīng)的合理性，預(yù)測新產(chǎn)品NVH性能，從而大大縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

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