整車(chē)路噪轟鳴聲識(shí)別與優(yōu)化

廖毅， 黃靈河， 何興鳳， 何森東

(1.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司， 廣西 柳州 545007；2.中汽研(天津)汽車(chē)工程研究院有限公司， 天津 300300)

由于道路不平整和車(chē)輛懸架/輪胎系統(tǒng)間相互作用而在車(chē)廂內(nèi)產(chǎn)生的噪聲統(tǒng)稱(chēng)為路噪。按照聲音的傳遞路徑，可分為結(jié)構(gòu)傳遞噪聲和空氣傳遞噪聲。其中結(jié)構(gòu)傳遞噪聲是指路面隨機(jī)激勵(lì)，經(jīng)輪胎和底盤(pán)懸架系統(tǒng)傳遞，引起車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)向車(chē)內(nèi)輻射的噪音；空氣傳遞噪聲是指輪胎與路面相互作用及輪胎變形所產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過(guò)空氣傳播到車(chē)內(nèi)。隨著整車(chē)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(NVH)水平的提高，路噪在車(chē)內(nèi)噪聲中的地位越來(lái)越重要，特別是500 Hz以下路面激勵(lì)的結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)影響很大。

1 路噪控制及診斷方法

采用數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行路噪數(shù)據(jù)初步采集，通過(guò)多參考的相關(guān)性分析，將勻速工況的車(chē)內(nèi)噪聲分解為動(dòng)力總成噪聲、路面結(jié)構(gòu)噪聲、輪胎空氣噪聲和風(fēng)噪，制定初步的路噪分析策略。路噪控制和診斷方法見(jiàn)圖1，其中結(jié)構(gòu)噪聲可通過(guò)懸架模態(tài)、傳遞路徑和工作形變分析加以改善，輪胎空氣噪聲可通過(guò)采用低噪音輪胎和提高車(chē)身吸隔聲加以改善。

圖1 車(chē)輛路噪診斷及分析流程

2 主分量分析理論基礎(chǔ)

主分量分析(PCA)是一種常用數(shù)據(jù)分析方法，它通過(guò)線(xiàn)性變換將原始數(shù)據(jù)變換為一組各維度線(xiàn)性無(wú)關(guān)的表示，可用于提取數(shù)據(jù)的主要特征分量，常用于高維數(shù)據(jù)的降維。其實(shí)質(zhì)就是在盡可能好地代表原特征的情況下對(duì)原特征進(jìn)行線(xiàn)性變化，映射至低維度空間中。

汽車(chē)路噪可看作由路面激勵(lì)作用在4個(gè)懸架上的激勵(lì)力，激勵(lì)力的相關(guān)程度取決于路面特性，要正確反映道路噪聲，需采用多參考功率互譜測(cè)量。由于多參考的功率互譜測(cè)量并不能直接使用傳遞路徑分析(TPA)，必須使多參考功率互譜解耦，將多參考問(wèn)題解耦到若干獨(dú)立的單參考情況，每個(gè)單參考情況描述整個(gè)路噪問(wèn)題的一部分，路噪問(wèn)題可由這些獨(dú)立的單參考(主分量)問(wèn)題線(xiàn)性疊加。

汽車(chē)路面噪聲是典型的多參考TPA問(wèn)題。在多參考中，若j個(gè)PCA參考點(diǎn)存在相互耦合，且參考點(diǎn)間沒(méi)有固定相位關(guān)系，則參考點(diǎn)的功率譜密度矩陣為：

(1)

參考點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的互功率譜不能為零，故需對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行PCA分析，將實(shí)際功率譜矩陣轉(zhuǎn)換成虛擬矩陣：

(2)

(3)

[XX*]=[U][X′X′*][U]H

(4)

(5)

3 60 km/h路噪問(wèn)題研究

3.1 問(wèn)題描述

某SUV整車(chē)摸底測(cè)試中，當(dāng)其以6擋60 km/h勻速通過(guò)粗糙路面時(shí)，車(chē)內(nèi)存在較大轟鳴聲，駕駛員右耳噪聲在37 Hz附近存在較大峰值(見(jiàn)圖2)。

圖2 駕駛員右耳噪聲測(cè)試結(jié)果

由于轟鳴聲(低頻)一般屬于結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)，其比重較大，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上排查問(wèn)題點(diǎn)。

3.2 傳遞路徑識(shí)別

從整車(chē)噪聲傳遞函數(shù)NTF測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)圖3)來(lái)看，前懸擺臂右后安裝點(diǎn)在37 Hz存在峰值，且X方向最大。

為進(jìn)一步確認(rèn)是否為右后擺臂的問(wèn)題，對(duì)車(chē)身進(jìn)行路徑識(shí)別分析。車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲可看成是由多個(gè)激勵(lì)經(jīng)過(guò)多條路徑傳遞到目標(biāo)點(diǎn)疊加而成的，針對(duì)37 Hz車(chē)內(nèi)轟鳴聲，進(jìn)行由懸架系統(tǒng)振動(dòng)到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)(車(chē)內(nèi)響應(yīng))的TPA分析，找出對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用的激勵(lì)源和傳遞路徑，進(jìn)而進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。

圖3 擺臂右后安裝點(diǎn)NTF測(cè)試結(jié)果(響應(yīng)點(diǎn)：駕駛員右耳)

對(duì)激勵(lì)點(diǎn)到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的各條路徑的貢獻(xiàn)量進(jìn)行合成，并與實(shí)際測(cè)量所得車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)(駕駛員右耳)的噪聲值進(jìn)行比較，車(chē)內(nèi)合成噪聲和實(shí)測(cè)噪聲的趨勢(shì)較接近，雖然噪聲幅值有所差異，但所關(guān)注的頻率吻合較好(見(jiàn)圖4)，說(shuō)明車(chē)內(nèi)噪聲傳遞路徑模型及試驗(yàn)正確。

圖4 車(chē)內(nèi)噪聲實(shí)測(cè)及擬合結(jié)果對(duì)比

車(chē)內(nèi)在37 Hz對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)量排序結(jié)果(見(jiàn)圖5)顯示，前懸擺臂右后安裝點(diǎn)X向是引起該頻率車(chē)內(nèi)噪聲的主要路徑之一。

圖5 TPA貢獻(xiàn)量排序

從TPA力譜結(jié)果(見(jiàn)圖6)來(lái)看，前懸擺臂右后安裝點(diǎn)X向在37 Hz的力也存在峰值。

結(jié)合上述主觀評(píng)價(jià)與測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，確定引起車(chē)內(nèi)轟鳴聲的主要是前懸擺臂右后安裝點(diǎn)。

圖6 前懸下擺臂右后安裝點(diǎn)力譜

3.3 仿真與優(yōu)化

3.3.1 有限元模型

針對(duì)路噪TPA診斷所得前懸擺臂安裝點(diǎn)NTF響應(yīng)在37 Hz附近峰值的問(wèn)題，對(duì)車(chē)身進(jìn)行仿真分析，搭建內(nèi)飾車(chē)身(Trimmed Body，TB)進(jìn)行優(yōu)化。

TB車(chē)身為白車(chē)身加上內(nèi)外飾(包括儀表板、方向管柱、座椅、前后擋風(fēng)玻璃、后視鏡等)及車(chē)門(mén)、引擎蓋、行李箱蓋、電子電器系統(tǒng)和聲腔。聲腔是利用座椅蒙皮及圍成車(chē)內(nèi)空間的板件生成的封閉空間，賦予流體材料，仿真模型螺栓剛性連接采用RBE2單元模擬，膠條及彈性連接采用Cbush單元模擬。

3.3.2 車(chē)內(nèi)響應(yīng)分析

TB車(chē)身響應(yīng)分析結(jié)果(見(jiàn)圖7)顯示，前懸擺臂右后安裝點(diǎn)NTF曲線(xiàn)在37 Hz附近存在峰值。仿真分析結(jié)果基本反映了實(shí)車(chē)測(cè)試37 Hz問(wèn)題，說(shuō)明搭建的CAE模型準(zhǔn)確，可在仿真模型的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 前懸擺臂右后安裝點(diǎn)NTF仿真分析結(jié)果

3.3.3 板件貢獻(xiàn)量分析

為識(shí)別37 Hz峰值問(wèn)題，對(duì)TB車(chē)身進(jìn)行板件貢獻(xiàn)量(即模態(tài)、板件貢獻(xiàn)量)分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。前車(chē)門(mén)對(duì)前懸擺臂右后安裝點(diǎn)X向響應(yīng)37 Hz峰值的貢獻(xiàn)量最大。

從前車(chē)門(mén)模態(tài)分析結(jié)果(見(jiàn)圖9)來(lái)看，其模態(tài)頻率與車(chē)內(nèi)問(wèn)題頻率耦合。因此，確認(rèn)引起車(chē)內(nèi)轟鳴聲的主要是前車(chē)門(mén)，需對(duì)前車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其模態(tài)頻率與問(wèn)題頻率解耦，解耦率至少8%。

圖8 37 Hz車(chē)內(nèi)響應(yīng)板件貢獻(xiàn)量排序

圖9 原狀態(tài)車(chē)門(mén)模態(tài)(單位：Hz)

3.3.4 車(chē)門(mén)優(yōu)化

根據(jù)測(cè)試和仿真結(jié)果，對(duì)于車(chē)內(nèi)低頻37 Hz峰值問(wèn)題，可從兩方面進(jìn)行改善：一是優(yōu)化擺臂襯套，降低擺臂接附點(diǎn)的傳遞力；二是優(yōu)化響應(yīng)部件，提高其剛度。

方案一：車(chē)門(mén)內(nèi)板采用1.0和0.65 mm激光拼焊方式。如圖10所示，采用該優(yōu)化方案后，車(chē)門(mén)內(nèi)板一階模態(tài)為37.98 Hz，比原狀態(tài)提高1.15 Hz。由于該方案未達(dá)到8%的解耦率，且其對(duì)工藝要求較高，可行性較差，不予考慮。

圖10 優(yōu)化方案一下車(chē)門(mén)模態(tài)(單位：Hz)

方案二：在車(chē)門(mén)內(nèi)板下方增加0.8 mm厚支撐板。如圖11所示，采用該優(yōu)化方案后，車(chē)門(mén)內(nèi)板一階模態(tài)為40.53 Hz，比原狀態(tài)提高3.7 Hz。該方案達(dá)到10%的解耦率，滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

圖11 優(yōu)化方案二下車(chē)門(mén)模態(tài)(單位：Hz)

結(jié)合開(kāi)發(fā)成本、開(kāi)發(fā)周期及優(yōu)化方案工藝可實(shí)施性等，方案二更優(yōu)，故采用該方案進(jìn)行優(yōu)化。采用方案二在TB車(chē)身上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，擺臂右后安裝點(diǎn)NTF曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。

圖12 優(yōu)化前后右后擺臂安裝點(diǎn)NTF響應(yīng)曲線(xiàn)

優(yōu)化后車(chē)門(mén)仿真結(jié)果顯示，在車(chē)門(mén)內(nèi)板下方增加0.8 mm厚支撐板，車(chē)內(nèi)37 Hz響應(yīng)點(diǎn)問(wèn)題峰值降低5 dB(A)左右。

3.4 樣車(chē)驗(yàn)證

根據(jù)仿真優(yōu)化方案，對(duì)樣件進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證。在車(chē)門(mén)內(nèi)板增加加強(qiáng)板，以6擋60 km/h勻速通過(guò)粗糙路面，在37 Hz,駕駛員右耳噪聲峰值降低5 dB(A)，車(chē)內(nèi)總聲壓降低1.5 dB(A)左右(見(jiàn)圖13)。

4 結(jié)論

針對(duì)路噪車(chē)內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題，利用TPA分析方法對(duì)噪聲進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合CAE仿真進(jìn)行優(yōu)化分析，提出路噪車(chē)內(nèi)轟鳴聲解決方案。主要結(jié)論如下：

圖13 優(yōu)化前后車(chē)輛以6擋勻速60 km/h行駛時(shí)噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比

(1) 路噪TPA分析不同于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲TPA分析，發(fā)動(dòng)機(jī)TPA分析是單參考的，而路噪是多參考TPA分析，且路徑間沒(méi)有固定的相位關(guān)系，需進(jìn)行PCA分析。

(2) 將測(cè)試所得載荷譜輸入CAE仿真模型，可驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，還可為實(shí)車(chē)問(wèn)題驗(yàn)證提供多種可行性方案。

(3) 采取測(cè)試和仿真相結(jié)合的優(yōu)化手段，可縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)成本。