基于車身接附點動力總成載荷的車內噪聲優化

陳丹華 ，汪海濤，吉麗超，王玉雷，黃元毅

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心-整車集成部，上海 200000；2.西門子工業軟件（北京）有限公司部門，北京 100000）

0 引言

當今社會，科技水平不斷提升，越來越多的汽車走進普通家庭。越來越多的人購買汽車，享受汽車給人們帶來的便利，汽車己不再只是簡單的代步工具，人們對車的其他性能的要求也越來越高[1]。其中，汽車的NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能，即噪聲、振動和舒適性已經成為汽車業不斷追求的性能指標[2]。其中的噪聲問題不僅會影響車內人員的乘車體驗，還會對道路周邊環境造成噪聲污染問題。所以盡可能降低汽車行駛中的噪聲是新車型投產前必須進行的工作。

噪聲和振動往往都同時存在，振動即產生噪聲，而車內振動的主要來源有兩個：發動機激勵和路面激勵。針對發動機激勵的噪聲問題，目前國內外各學者對此問題有較多的相關研究。Leopoldo P.R.,de Oliveira[3]等人對基于速度反饋的主動控制方法進行了研究，利用其控制發動機激勵的汽車內車噪聲的聲壓和聲品質。陳實[4]等針對設計車車內噪聲響應的峰值進行了面板貢獻量（PPF）分析和模態參與因子（MPF）分析，以分析結果為依據，采用改進車身結構、在敏感位置貼粘彈性阻尼貼片和用有機夾層玻璃更換前擋風玻璃的措1施來控制車內噪聲，并對優化后的車身結構進行了車內噪聲仿真驗證。吉林大學的龍巖等，對TPA方法進行改進，對動力總成懸置系統進行了測試和優化，提出了一些降噪減振的措施[5]。陳書明等[6]建立了汽車的聲固耦合模型，并對模型進行了靈敏度分析，在此基礎上提出了通過應用涂貼阻尼層來優化車內噪聲峰值的方法。余雄鷹等[7]通過分析發動機和路面激勵在副車架上的傳遞，提出了提高副車架剛度來降低低頻噪聲的方法，有效降低了車內轟鳴噪聲。

在某型SUV的研發階段，為達到有效降低車內噪聲的目的，本文通過對該車型進行有限元仿真建模，利用汽車在實際工況條件下發動機懸置被動端的加速度響應及懸置幾何中心到被動端的傳遞函數，通過逆矩陣的方法計算出動力總成載荷并作用于仿真模型的對應位置。通過分析比較實測響應和模擬計算響應曲線，驗證模型的有效性。在此基礎上，分析噪聲的可能來源，并針對這些來源提出響應的優化方案包，通過仿真分析對比優化前后的試驗效果，驗證優化方案的合理性。

1 問題描述

該型SUV采用1.5L渦輪增壓發動機，6擋雙離合變速器。在3檔WOT工況時，車內在多個轉速下均存在轟鳴聲，采用LMS Test.Lab軟件對車內噪聲數據進行采集，通過客觀測試得到駕駛員外耳位置在該工況下的噪聲聲壓級曲線（2階），如圖1所示。3檔WOT工況時，在2200rpm～4100rpm轉速段內，存在轟鳴，主要峰值對應轉速2660，3230，3772rpm附近，對應發動機二階噪聲頻率為88.7，107.7，125.7Hz。

圖1 駕駛員外耳-發動機2階噪聲

2 建模及模型分析

2.1 基于動力總成載荷的車身模型描述

依據車身的建模準則建立基于車身接附點動力總成載荷的車身有限元模型，如圖2所示。車身有限元模型的相關參數：內飾車身重量為1055千克，前后副車架襯套剛度為表1所示。動力總成載荷輸入點為發動機四個懸置處（含發動機側懸置、變速箱側懸置、副車架前后懸置）。

圖2 車身有限元模塊

表1 副車架襯套剛度

模型設置6個麥克風測點，分別在：駕駛員右耳位置（1號），駕駛員左耳位置（2號），中排右座乘客左耳位置（3號），中排右座乘客右耳位置（4號），后排右座乘客左耳位置（5號），后排右座乘客右耳位置（6號），如圖3所示。

圖3 麥克風測點位置

2.2 基于動力總成載荷的響應分析及問題定義

為了進行強迫響應分析，就必須獲得車身接附點的動力總成載荷從而驅動模型。將動力載荷施加到發動機懸置的前后左右被動側懸置中心處，如圖4所示。車輛在行駛過程中，存在包含整個存在發動機激勵、齒輪間隙的作用、路面激勵等多種激勵，在針對動力總成載荷的噪聲分析中，發動機激勵是最主要的形式，因此，本文忽略其他形式的激勵，僅將發動機懸置處的動力載荷作為系統輸入。

圖4 懸置被動側幾何中心

本文中汽車在實際工況條件下動力總成車身接附點受到的載荷采用實測數據加理論計算的方法間接獲取。計算的原理如公式：

其中ax表示在x方向產生的加速度，Fy表示第y個激勵作用。Tab表示Fa激勵下產生ab的傳遞函數（即懸置幾何中心到參考點）。所以由上式變形可以推導出汽車車身的動力總成載荷激勵為：

本文中，發動機懸置被動側加速度通過試驗的方法獲取。通過在車輛每個懸置被動段近點及遠點分別布置加速度傳感器采集加速工況下的加速度信號，同時測得每個懸置幾何中心到加速度測點的傳函。再通過逆矩陣方法求得四個懸置幾何中心處的激勵載荷。測點布置如圖5所示。汽車行駛過程中動力總成對車身的作用效果可以看作是由四個懸置處力的疊加作用，每個懸置處的受力可以分為x，y，z三個方向。經過試驗和計算后獲得的動力總成載荷數據如圖6所示。

圖5 載荷提取對應的加速度測點

圖6 懸置被動側幾何中心激勵

將動力總成載荷激勵輸入到LMS Virtual.Lab環境以激勵仿真模型，得到車身模型內的噪聲響應，與實際實驗所獲得的噪聲結果對比，如圖7所示，試驗和仿真結果對標較好，整體趨勢一致，問題點對應的轉速較一致。

圖7 前排駕駛員外耳二階噪聲（試驗與仿真對比）

3 基于車身接附點動力總成載荷的車身弱點及靈敏度分析

聲學有限元法可以根據內飾車身模型和聲腔模型求得車艙內聲學模態頻率及振動模態[8]。將識別到的激勵按照對應的加載點加載到有限元仿真模型上，運用Virtual.lab對仿真模型進行噪聲分析，分析結果如圖8所示。可以看出車內噪聲峰值對應2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772，rpm這幾個轉速點。故應從這些轉速著手進行優化。

圖8 駕駛員外耳二階噪聲仿真值

如圖9所示，對上文建立的仿真模型進行ODS（Operational Deflection Shape，工作變形模態）分析，通過仿真試驗觀察汽車模型在主要關注頻率上的響應，圖9中圓圈標記處表示振動幅度較大的部件，即可能需要優化的部位。從ODS結果上看，在70Hz附近（2660rpm），81Hz附近（2457rpm），88Hz附近（2660rpm），107Hz附近（3200，3358rpm），122Hz附近（3640，3772rpm）的工作變形分析，結果均指向弱點位置為集水槽和前圍板兩處。

圖9 振幅較大部件

通過觀察部分部件的變形結果并依據經驗，針對形變較大的部件提出了若干優化方案，部分方案的仿真結果如下：

1）前圍板對WOT工況加速噪聲較敏感，其彈性模量增大為10倍后，駕駛員外耳噪聲在3000～4000rpm及4200～5800rpm區間明顯改善，3200，3358，3640，3772rpm對應峰值分別降低1.6，2.2，3.1，5.5dB，2000rpm～2700rpm噪聲輕微惡化。

圖10 前圍板靈敏度分析-材料彈性模量*10

前導水槽對WOT加速噪聲非常敏感，其彈性模量增大為10倍后，2000rpm以上區域明顯得到優化。如圖11所示，2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772rpm對應駕駛員外耳噪聲分別降低5.3，5.5，3.9，1.9，3.5，4.5，4.2dB(A)

圖11 積水槽靈敏度分析-材料彈性模量*10

4 基于車身接附點動力總成載荷的車身噪聲優化方案

靈敏度分析指向兩處弱點：前圍板和積水槽。

前圍板工業化方案：前圍板與減震塔座之間增加連接支架，前圍板中間位置增加豎梁。

表2 靈敏度分析和結果

圖12 前圍板工業化方案

優化后的噪聲結果如下：駕駛員外耳噪聲在3000rpm～4000rpm及4200rpm～5800rpm區間明顯改善，3200，3358，3640，3772rpm對應峰值分別降低1.6，2.2，3.1，5.5dB，2000rpm～2700rpm噪聲輕微惡化。

圖13 駕駛員外耳噪聲-前圍板工業化方案

積水槽工業化方案：積水槽增加橫向筋條；積水槽板厚又0.8mm增加至1.2mm；積水槽增加兩處支撐橫隔板兩側上蓋板延長與支架平齊。

優化后的噪聲結果如下：2000rpm以上區域明顯得到優化。2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772rpm對應駕駛員外耳噪聲分別降低5.5，4，4，2.7，5.2，5.2，4.3dB（A）。

圖14 積水槽工業化方案

圖15 駕駛員外耳-積水槽工業化方案

圖16 駕駛員外耳-積水槽工業化方案

將積水槽方案與前圍板方案綜合為一個方案包，2000rpm以上區域明顯得到優化。效果如下：2200，2457，2660，3200，3358，3640，3772rpm對應駕駛員外耳噪聲分別降低5.5，4，4，2.7，5.2，5.2，4.3dB（A）。

圖17 駕駛員外耳-綜合方案

表3 工業化可實施方案包和結果

5 結語

本文主要針對某型國產汽車行駛過程中的噪聲問題，進行了有限元仿真，并通過試驗對比的方法驗證了模型的有效性。在此基礎上，對車內噪聲來源進行分析，并提出了若干優化方案，經過仿真模擬并綜合為一個有效可行的優化方案包。通過本文的研究可以得出以下幾點結論：

1）本文建立的有限元仿真模型通過了基于車身接附點動力總成載荷試驗的檢驗，仿真結果和試驗結果一致性較好，說明了仿真建模的有效性、準確性。

2）對于本研究而言，增強前圍板，前導水槽，對于降低車內不同位置的噪聲有顯著效果。