排氣系統熱端模態對車內轟鳴影響的研究

劉國彬 曾憲寧 陳祝健 蔣雄猛 陳方林

摘 要：某1.5T SUV車型在開發過程中，發現在加速工況下，車內存在3000r/min、3600r/min的轟鳴聲，嚴重影響主觀感受。經過排查試驗，確定問題原因為排氣系統熱端模態被激發，振動通過吊鉤傳遞到車身，引起車身局部鈑件共振，最終引起車內轟鳴聲。利用CAE 分析制定優化方案并進行實車驗證，經過驗證，加速轟鳴聲改善明顯。

關鍵詞：排氣系統;轟鳴;耦合共振;有限分析

中圖分類號：TB535;U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-107-04

Abstract： During the development of a 1.5T SUV， it was found that the booming of 3000r/min and 3600r/min in acceleration condition seriously affected the subjective feeling. After investigating test， it was determined that the reason is that the hot end mode of exhaust system is stimulated to produce coupling. Vibration is transmitted to the body through the hook， causing resonance of sheet metal parts of the body， and finally causing booming. The optimization scheme was formulated by CAE analysis and verified by real vehicle. After verification， the booming noise was improved obviously.

Keywords： Exhaust system; Booming noise; Coupling resonant; Finite element analysis

CLC NO.： TB535; U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-107-04

引言

生活在現代社會的人們越來越離不開汽車，人們對汽車的各項性能指標要求越來越苛刻，NVH是評價汽車性能的重要指標之一。轟鳴是經常出現的噪聲問題，普遍發生在怠速、勻速、加速工況。排氣系統是引發車內轟鳴的常見系統之一，它一端連接發動機，一端通過吊耳與車身相連，而排氣熱端由于其結構特性原因，模態較低，容易被發動機激勵激發導致共振，振動會經過排氣系統傳遞給車身，若傳遞給車身的振動過大時，會引起車身板件振動過大，從而在車內產生轟鳴。因此，排氣系統NVH特性的好壞，對整車NVH水平影響很大。

針對排氣系統，國內外工程師和學者做了大量的研究，李松波[1]針對排氣系統振動控制的關鍵點和目標，對排氣組件的設計原則做了詳細介紹;何森東[2]等針對排氣系統消聲器內部結構進行了優化，解決了某MPV低轉速的轟鳴聲;Heiner[3]等人介紹了試驗模態的三種邊界，即自由模態、懸置約束模態、懸置和邊界約束模態，也討論了試驗模態坐標系的選擇。為深入了解增壓發動機排氣系統對整車NVH的影響，有必要對排氣系統的結構噪聲產生的原因、識別以及控制做研究分析。

1 排氣系統結構噪聲特性分析

渦輪增壓發動機的增壓機和排氣熱端常見的布置形式如圖1所示。

排氣系統的結構噪聲主要分為：（1）排氣系統熱端振動發出的低頻轟鳴聲;（2）冷端的振動通過吊鉤傳遞到車身而產生的振動噪聲。

對于熱端的低頻轟鳴聲一般是由于其模態偏低，導致耦合共振后發出的低頻轟鳴聲，一般可以通過增加支架或者吸振器來解決;而冷端引起的結構聲，一般的解決思路是降低熱端的振動、排氣系統的整體模態規劃、吊鉤安裝點動剛度的提高、吊耳的剛度的降低等等。

2 車內轟鳴聲產生機理

在密閉情況下，汽車車內空氣作為彈性體，會形成許多空腔模態。當車身受到外界激勵時，車身某些鈑金件的振動模態與聲腔某些模態產生耦合作用后，空腔將會在車內產生很高的壓力脈動，引起人耳不適，甚至產生惡心等現象[4]。

從產生轟鳴聲機理我們可以知道，車內產生轟鳴聲的前提條件有：激勵源、密閉的駕駛室、駕駛室的鈑件和車內聲腔模態發生聲固耦合。優化的工作主要在激勵源和鈑件上著手，改變聲腔模態和車身結構模態的分布、改變激勵源如：驅動軸的固有特性、排氣系統的模態、改變副車架結構、優化懸架等。

3 問題描述及優化

3.1 問題描述

某1.5T SUV車型加速工況下，駕評人員反映車內噪聲過大。為快速響應，擬采用主觀評價和客觀測試同時進行，測試工況為3擋全油門，當發動機轉速到達2200-3800rpm時，車內乘員均主觀感覺到有明顯的轟鳴聲，其中駕駛員右耳的3000rpm、3600rpm附近非常明顯。對試驗采集的數據進行分析，如圖3，發現在問題轉速下的轟鳴聲，其主要是2階噪聲峰值。

5 總結

本文闡述了產生轟鳴聲的機理，提出對車內轟鳴聲的解決方案，在此過程也得到了一些經驗：

（1）對排氣熱端進行振動隔離，評估出排氣熱端振動對車內轟鳴的貢獻，簡單有效的鎖定了問題根源，在工程上具有實際意義;

（2）利用實驗和仿真的方法對排氣系統熱端進行模態求解，確定了問題模態，在通過仿真手段進行優化，加快了解決問題的效率;

（3）排氣熱端與增壓機相連，構成末端帶有大質量的懸臂結構，此類結構模態偏低，易在發動機轉速區間內引發加速轟鳴聲，所以前期開發時，應考慮通過增加支架來提高其模態，一階模態最好大于250Hz。

參考文獻

[1] 李松波.車輛排氣系統振動建模與動力學特性研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[2] 何森東，楊迪薪，李洪亮，等.某MPV車型排氣系統引起車內轟鳴聲研究[J].交通科學與工程.2017，第1期：61-65.

[3] Heiner Storck，Hartono Sumali，Ya Pu. Experimental modal analysis of automotive exhaust structure.SEA.010-01-0662.

[4] 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，2006.309-314.