駕駛室前置底盤的噪聲控制

宋建新 龐建中 史全勝|(zhì)文/圖

一款駕駛室前置汽車底盤，因其發(fā)動機及動力輔助系統(tǒng)均位于駕駛室外部(后部)，在采用聲學(xué)包和電磁式風(fēng)扇等技術(shù)實施降噪后，噪聲可滿足國家標準不超過84 dB 的要求。但由于車型結(jié)構(gòu)狀態(tài)特殊，在實施降噪過程中，既要考慮噪聲控制，又要確保發(fā)動機的話散熱能力滿足+55℃環(huán)境下的使用要求。通過采取合理的設(shè)計措施和試驗驗證，解決了降噪與散熱之間的矛盾。

1 車型介紹及問題提出

該汽車底盤是為了滿足空運要求而設(shè)計的低位型重型越野底盤。由于要求整車高度低，整車采用了將駕駛室前置、動力系統(tǒng)后移，動力輔助系統(tǒng)集成上置到駕駛室后部、車架(發(fā)動機)上部等措施，從而實現(xiàn)了指標要求(底盤外形見圖1)。在發(fā)動機后移出駕駛室后，發(fā)動機的散熱系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)后置于駕駛室左右兩側(cè)，通過組合框架固定并與發(fā)動機連接(布置情況見圖2)。

但這樣的布置會出現(xiàn)整車噪聲控制和高溫(+55℃)環(huán)境適應(yīng)性的控制難點，不采取降噪措施時噪聲為88 dB，遠大于84 dB 這一現(xiàn)行的國家標準(現(xiàn)行的GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》規(guī)定：N2(發(fā)動機額定功率≥150 kW)車輛的第二階段噪聲≤84 dB(A)——編者補注)。

圖1 底盤外形圖

2 噪聲源分析

汽車底盤車外噪聲主要包括發(fā)動機(本體)噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、輪胎噪聲和制動系統(tǒng)噪聲等[1]。大量的試驗研究表明，車外噪聲中發(fā)動機相關(guān)噪聲約占比60%～65%，甚至達70%[2](見圖3)；同時由于冷卻系統(tǒng)上置，風(fēng)扇噪聲對于標準測點處噪聲及其他聲源也有較大影響；還有，整車的輪胎、傳動系和制動系均為成熟配置，其噪聲控制已達應(yīng)有水平，故不再在這3 個系統(tǒng)上考慮降噪。因此，降低車外噪聲，主要從降低和控制發(fā)動機噪聲、冷卻系風(fēng)扇噪聲和進排氣噪聲等4 個方面來實施。

圖2 動力模塊布置

圖3 各噪聲源所占比例示意圖

3 噪聲控制方案

本汽車底盤所匹配的發(fā)動機為已定型狀態(tài)，符合GB/T 14097-2018 《往復(fù)式內(nèi)燃機 噪聲限值測量》標準，標定點噪聲為97dB；發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)已經(jīng)是最優(yōu)化狀態(tài)。從底盤安裝匹配的角度來看，降低發(fā)動機噪聲的措施有阻尼、隔振、吸聲，如對發(fā)動機加裝局部和整體減振、吸音裝置；發(fā)動機和底盤的安裝連接，使用已定型的橡膠緩沖塊，但單獨開發(fā)有難度，故集中在吸音和隔音控制。材料的吸隔音性能與其價格成正比，因此在選取優(yōu)良的吸隔音材料的同時，也要考慮底盤的價格定位。

降低(控制以致消除)風(fēng)扇噪聲的方法：設(shè)計高效風(fēng)扇，同時采用控制裝置使風(fēng)扇在最合適狀態(tài)下工作。

對于進排氣系統(tǒng)，一方面通過系統(tǒng)設(shè)計，控制其噪聲，同時加裝局部和整體減振、吸音裝置，實現(xiàn)噪聲降低。

汽車聲學(xué)包主要用于解決空氣傳播路徑的噪聲問題，在密封性和吸隔聲性能等方面進行噪聲控制。汽車上常用的聲學(xué)包材料，一般由不同的隔聲層和吸聲層組合而成，結(jié)構(gòu)形式有2種(如圖4 所示)，一種是雙墻結(jié)構(gòu)，即：裝飾板+吸音材料+鈑金結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)用于方艙等隔熱材料，需要在隔熱降噪材料外露的情況下使用)，能夠充分發(fā)揮對噪聲的阻隔作用；另一種是鈑金+吸音材料( 隔熱、降噪材料不外露)，能夠充分發(fā)揮吸音材料的吸聲作用。

圖4 聲學(xué)包結(jié)構(gòu)

3.1 發(fā)動機降噪方案

為了有效阻止發(fā)動機等的噪聲的擴散，使加速噪聲達到更低，在發(fā)動機左右兩側(cè)和頂部加裝鈑金＋吸音材料隔音罩(如圖5、6)，主要結(jié)構(gòu)為鋁合金板材+隔音材料(隔音材料如圖7)：表層為拒水、耐高溫吸音無紡布，第2 層為聚酯泡沫，第3 層為鋁合金板材。安裝隔聲罩后，經(jīng)過測試，可使加速噪聲降低4 ～5 dB(A)左右，降低底盤噪聲明顯。對于后部是否安裝隔聲罩，由于后部有貨箱阻擋，噪聲的能量全部衰減，不會導(dǎo)致噪聲增大，故后部隔聲罩可不安裝。

圖5 發(fā)動機頂部與左側(cè)增加隔音罩

圖7 隔音材料

3.2 冷卻系風(fēng)扇降噪方案

為了有效降低風(fēng)扇噪聲，冷卻系統(tǒng)匹配了電磁控制式液壓驅(qū)動風(fēng)扇(見圖8)。電磁式風(fēng)扇能夠根據(jù)發(fā)動機出水溫度，自動控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，有效降低風(fēng)扇無用功，同時降低風(fēng)扇噪聲功率，有效改善車外噪聲。

關(guān)于電磁式風(fēng)扇風(fēng)量的大小，控制器從CAN 總線上接收發(fā)動機出水溫度、進氣溫度，通過邏輯關(guān)系控制策略，控制比例電磁閥的開度和停轉(zhuǎn)控制閥，進而控制變量泵流量，驅(qū)動液壓馬達旋轉(zhuǎn)或停止，來實現(xiàn)風(fēng)扇無級調(diào)速。當(dāng)車輛空載時(噪聲測試要求)，風(fēng)扇以很小的功率運轉(zhuǎn)，即可保證發(fā)動機的散熱需要。通過設(shè)計匹配電磁式風(fēng)扇，可使車外噪聲降低6 ～7 dB(A)左右。

圖8 風(fēng)扇液壓驅(qū)動簡圖

3.3 進排氣系統(tǒng)的降噪方案

進排氣系統(tǒng)設(shè)計，一方面要確保進氣系統(tǒng)空氣濾的容量是發(fā)動機排量的3 ～5 倍，消聲器容量是發(fā)動機排量的5 ～10倍[2]；另一方面，進氣和排氣系統(tǒng)及進出口均上置、側(cè)排，噪聲的輻射強度小。

4 方案的實施

4.1 發(fā)動機降噪方案的實施

對發(fā)動機左右兩側(cè)和頂部加裝隔音罩(如圖5、6)，加裝材料為：鋁合金板材+隔音材料；在發(fā)動機及輔助系統(tǒng)后部也設(shè)計安裝了隔聲罩，作為補充措施，確保滿足降噪目標。

4.2 冷卻系風(fēng)扇降噪方案的實施

冷卻系統(tǒng)采用電磁控制式液壓驅(qū)動風(fēng)扇，其風(fēng)量大小通過控制器從CAN 總線上接收發(fā)動機出水溫度、進氣溫度，并通過邏輯關(guān)系的控制策略控制比例電磁閥開度，進而控制變量泵流量驅(qū)動液壓馬達來實現(xiàn)風(fēng)扇無級調(diào)速。當(dāng)車輛空載時(噪聲測試要求)，風(fēng)扇以很小的功率運轉(zhuǎn)或停轉(zhuǎn)(小的噪聲)，即可以保證發(fā)動機的散熱需要，發(fā)動機大功率或大轉(zhuǎn)矩工作時，也可以使用大功率風(fēng)扇來保障發(fā)動機正常工作。

4.3 進排氣系統(tǒng)降噪方案的實施

進排氣系統(tǒng)的設(shè)計，一方面確保進氣系統(tǒng)空氣濾的容量是發(fā)動機排量的5 倍，消聲器容量是發(fā)動機排量的8 倍；另一方面，進氣和排氣系統(tǒng)及進出口均上置、側(cè)排(離地高度2.3 ～2.4 m)，遠高于1.2 m 的測試位置，使噪聲的輻射強度最小化。

5 測試和驗證

鑒于理論分析是定性分析，而實際的噪聲定量不足。為了確保降噪和底盤的環(huán)境適應(yīng)性均滿足要求，通過實驗來驗證方案的可行性。

噪聲測量，按照 GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》進行測量；熱平衡試驗，按照GB/T125 42-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》，使用拖車法和轉(zhuǎn)轂法進行試驗驗證。具體測量方案：底盤在原始狀態(tài)(狀態(tài)1)，加裝左、右和上部護罩(狀態(tài)2)，加裝左、右、后和上部護罩(狀態(tài)3)下，測量噪聲及熱平衡。其中，狀態(tài)2 和3 均有電磁風(fēng)扇起作用和不起作用2 種狀態(tài)。底盤3 種狀態(tài)下噪聲及熱平衡測試結(jié)果如表1。

表1 車外噪聲測試結(jié)果

由表1 可以看出：原始狀態(tài)(狀態(tài)1)時，底盤噪聲最高，達到88 dB；加裝左、右和上部護罩(狀態(tài)2)后噪聲降低近3 dB，采用電控風(fēng)扇后又降低1.6 dB；加裝左、右、后和上部護罩(狀態(tài)3)后，噪聲降低了0.9 dB，與方案設(shè)計相符。

加裝隔熱罩后，冷卻系統(tǒng)試驗結(jié)果表明，后部隔熱罩對底盤的高溫適應(yīng)性有特別大的影響：加裝左、右和前部護罩，不加裝后部護罩，冷卻系統(tǒng)可以滿足環(huán)境溫度+69 ℃下使用；但加裝后部護罩后，環(huán)境溫度僅能滿足+35 ℃下使用；加裝后護罩后，環(huán)境適應(yīng)性降低了34 ℃。同時，駕駛員后背的溫度也受后部加裝護罩的影響，比環(huán)境溫度高了7.7 ℃。顯然，后部護罩將冷卻系統(tǒng)的熱氣流阻擋住，排不出來，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)散熱能力急劇降低，雖然在噪聲控制上降低了0.9 dB，但對冷卻系的影響是巨大的；不安裝后部護罩，噪聲83.5 dB，同樣也可以滿足指標。

由上看出，加裝左右和前部護罩，不加裝后部護罩，是降噪最佳方案。

6 結(jié)束語

法規(guī)的嚴厲性和用戶對舒適性的追求，使整車噪聲性能優(yōu)化技術(shù)在汽車工程開發(fā)中正顯現(xiàn)出越來越重要的地位。合理運用汽車聲學(xué)包降噪技術(shù)，可以有效降低汽車底盤外部噪聲。本文在實際工作中，通過理論分析和建立模型，進行試驗對比和數(shù)據(jù)分析，既保證了整車的高溫環(huán)境適應(yīng)性，又實現(xiàn)了底盤噪聲控制，為行業(yè)解決類似問題提供了經(jīng)驗。