“源”-“路徑”-“響應(yīng)”分析法在某房車怠速轟鳴音上的應(yīng)用

林文干 于友明 李浩亮 李安民

東風(fēng)汽車股份有限公司 商品研發(fā)院 武漢 430057

NVH性能是衡量整車舒適性以及彰顯技術(shù)實力的重要標(biāo)志，NVH性能已成為一輛車能否贏得市場青睞的衡量標(biāo)準(zhǔn)。而轟鳴音作為NVH性能的重要表現(xiàn)形式之一，不僅影響客戶對整車舒適性的評價，而且會極大影響駕駛安全性，因此避免轟鳴音的發(fā)生顯得尤為重要。[1]

本文以房車為研究對象，進(jìn)行了大量試驗、CAE分析，按照“源”-“路徑”-“響應(yīng)”NVH控制分析方法，分析了怠速車內(nèi)轟鳴音的產(chǎn)生原因及影響因素，“源”-“路徑”-“響應(yīng)”分析法在解決實際NVH問題很實用，其可讓工程師思路清晰、重點分明，快速找到問題。

1 轟鳴音產(chǎn)生機(jī)理

1.1 轟鳴聲介紹

空氣作為彈性體在車身封閉起來的空腔內(nèi)會形成許多振動模態(tài)或聲腔模態(tài)， 當(dāng)密閉的駕駛室受到壓縮時，就會產(chǎn)生體積變化并有很高的阻抗。而圍成汽車駕駛室的壁板是非剛性的， 聲腔模態(tài)與車身某結(jié)構(gòu)振動模態(tài)有可能會產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合作用。這種低頻耦合模態(tài)在激勵作用下響應(yīng)如果過高， 將會在車內(nèi)產(chǎn)生很高的壓力脈動， 引起人耳不適， 甚至出現(xiàn)頭暈、惡心等癥狀，這種低頻聲音稱為轟鳴音（Boom）[2]。

根據(jù)轟鳴聲產(chǎn)生的原理， 駕駛室產(chǎn)生轟鳴聲的前提條件有：激勵源、封閉的駕駛室和構(gòu)成駕駛室的板件振動與駕駛室聲腔模態(tài)聲學(xué)耦合。消除轟鳴聲的主要工作是找到并消除激勵源、提高傳遞路徑的隔振衰減效果、修改發(fā)生聲學(xué)耦合的板件結(jié)構(gòu)或者改變聲腔結(jié)構(gòu)， 從而達(dá)到消除轟鳴聲的目的。

1.2 轟鳴聲的源-路徑-響應(yīng)介紹

轟鳴噪聲的激勵源主要有：發(fā)動機(jī)激勵的結(jié)構(gòu)振動噪聲；傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件的不平衡以及不等速萬向節(jié)引起的被動傳動軸二階振動而引發(fā)的；路面激勵，由輪胎徑向剛度差異、側(cè)偏和偏心以及不規(guī)則路面沖擊激勵。但問題樣車轟鳴音出現(xiàn)在怠速工況，源就是發(fā)動機(jī)的振動、噪聲，路徑是發(fā)動機(jī)懸置、排氣管吊掛以及機(jī)艙到車內(nèi)的聲傳路徑，響應(yīng)是車體的振動與車內(nèi)聲腔的聲學(xué)耦合。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 問題描述

問題車是某輕型客車，改裝成房車后車內(nèi)怠速轟鳴音較大、耳壓感強(qiáng)烈，且半年后轟鳴音有所加劇，客戶無法接受。

2.2 問題診斷

用NVH專用設(shè)備采集問題車主駕右耳、最后排的噪聲，主要關(guān)注低頻轟鳴聲，車內(nèi)噪聲頻譜如圖2所示。25 Hz的噪聲峰值最高，主駕右耳25 Hz峰值是99.3 dB，25 Hz恰好是發(fā)動機(jī)二階激勵頻率。試驗比較了車窗玻璃關(guān)、開一半的數(shù)據(jù)，可以看出開車窗玻璃后轟鳴音減少，提醒工程師需要關(guān)注聲腔模態(tài)。

圖1 轟鳴音“源”-“路徑”-“響應(yīng)”示意圖

圖2 怠速車內(nèi)-機(jī)艙噪聲頻譜圖

3 源-路徑-響應(yīng)分析

3.1 源分析

源的分析至關(guān)重要，首先要明確問題車輛振動噪聲源是否異常，怠速時振動噪聲源只有發(fā)動機(jī)。如圖3是剛體振動、機(jī)艙噪聲的比較，問題車輛的剛體振動、機(jī)艙噪聲與正常的商品車基本一致。判斷源是正常的，下一步要剖析路徑。

圖3 問題車怠速缸體振動-機(jī)艙噪聲頻譜圖

3.2 路徑分析

問題診斷中已測得該車的轟鳴問題頻率是25 Hz，并且機(jī)艙到車內(nèi)的聲學(xué)包沒有變動，重點分析振動的傳遞，怠速工況重點分析懸置、排氣吊掛軟墊。

測試問題車、商品車發(fā)動機(jī)懸置振動情況，圖4是隔振率比較圖和被動側(cè)振動比較圖，要求各點各方向隔振率≥70%、要求各點各方向被動側(cè)振動≤0.3 m/s2，問題車隔振率有2個方向不滿足要求，被動側(cè)振動有6個方向不滿足要求，而商品車在隔振率、被動側(cè)振動方面都滿足要求。可以推測問題車發(fā)動機(jī)懸置不良，拆下懸置如圖4所示，右懸置出現(xiàn)撕裂、干涉。

圖4 兩臺車發(fā)動機(jī)懸置振動比較

同理進(jìn)行了排氣吊掛軟墊隔振率、被動側(cè)振動測試，問題車與商品車隔振率、被動側(cè)振動相當(dāng)，且二者都滿足設(shè)計要求。

懸置出現(xiàn)撕裂、干涉，其隔振率必然受影響，換懸置后復(fù)測隔振率，隔振率、被動側(cè)振動均已滿足要求。主觀評價問題車，地板振動、方向盤振動有較明顯改善，但車內(nèi)轟鳴音沒有改善。車內(nèi)噪聲的測試結(jié)果如圖6所示，主駕右耳25 Hz轟鳴音只降低了1.3 dB，最后排25 Hz轟鳴音只降低了0.8 dB，改善效果很小。

圖5 問題車發(fā)動機(jī)右懸置出現(xiàn)撕裂

圖6 換懸置前后車內(nèi)噪聲比較

雖然調(diào)查出問題車發(fā)動機(jī)懸置出現(xiàn)撕裂、隔振不合格，但更換后改善效果不明顯，說明其不是要因，需進(jìn)一步剖析響應(yīng)。

3.3 響應(yīng)分析

問題車是客戶改裝的房車，已排查源、路徑，問題聚焦到響應(yīng)上，仔細(xì)比較房車與現(xiàn)有商品車差異。如圖7所示，客戶在頂蓋上加裝了行李架、太陽能電池板，明顯增加頂蓋質(zhì)量，在一定程度上降低了頂蓋剛度、模態(tài)；車內(nèi)增加了衛(wèi)生間、辦公桌、冰箱，改變了車內(nèi)的空間、聲腔模態(tài)。

圖7 問題車改裝主要部位照片

3.3.1 頂蓋振動響應(yīng)分析

結(jié)合改裝現(xiàn)狀評價怠速轟鳴音，車身振源疑似前頂蓋“拍振”，測試比較問題車及商品車B柱1點、前頂蓋4點振動，發(fā)現(xiàn)兩臺車B柱振動相當(dāng)（且問題車比商品車略小），問題車前頂蓋4點最大值為1.5 m/s2，但商品車最大值為0.4 m/s2，問題車前頂蓋振動明顯大。

為進(jìn)一步驗證前頂蓋剛度、模態(tài)是否要因，在問題車前頂蓋布置兩個加速度計，主駕右耳布置一個傳聲器，力錘敲擊前頂蓋（加速度傳感器附近），如圖8所示。前頂蓋在26.5 Hz、31.1 Hz有局部模態(tài)，前頂蓋到主駕右耳的NTF在26～31 Hz頻段峰值都較大。商品車的前頂蓋局部模態(tài)為32 Hz，且前頂蓋到主駕右耳的NTF在26～31 Hz峰值不明顯。客戶改裝過程中增加了頂蓋質(zhì)量，降低了前頂蓋的剛度、模態(tài)，前頂蓋局部模態(tài)26.5 Hz與怠速發(fā)動機(jī)二階激勵很接近，前頂蓋怠速共振。

圖8 問題車前頂蓋VTF、NTF測試

同理進(jìn)行了中頂蓋、后頂蓋的力錘敲擊試驗，二者局部模態(tài)都在23 Hz左右，較商品車都有大幅降低，其到主駕右耳的NTF在25 Hz峰值不明顯。問題集中到前頂蓋，為進(jìn)一步驗證前頂蓋怠速時上下“拍振”車內(nèi)聲腔，進(jìn)行怠速ODS測試，如圖9是測點示意圖及測試結(jié)果，前頂蓋是上下“拍振”車內(nèi)聲腔，且越靠近前擋風(fēng)玻璃振幅越大。

圖9 問題車前頂蓋怠速ODS測試

3.3.2 聲腔模態(tài)分析

聲腔模態(tài)有限元模型的建立和結(jié)構(gòu)模態(tài)模型的建立是有一定區(qū)別的。利用Hypermesh軟件在車身結(jié)構(gòu)有限元模型的車身空腔內(nèi)壁提取與空氣接觸的表面，構(gòu)成一個密閉的聲學(xué)空腔，由于密閉空腔是不規(guī)則的形狀，所以在劃分網(wǎng)格的過程中使用四面體單元進(jìn)行劃分，單元長度選取為50 mm，模型建立時考慮了座椅結(jié)構(gòu)及材料屬性。聲腔模態(tài)計算結(jié)果如圖10所示，改裝車一階聲腔模態(tài)頻率為33.0 Hz，但商品車一階聲腔模態(tài)頻率為46.5 Hz,。改裝后車內(nèi)聲腔結(jié)構(gòu)被改變、體積減小，一階模態(tài)頻率降為33.0 Hz，與發(fā)動機(jī)二階激勵相近，且主駕、最后排壓力分布大，司機(jī)感受較差。

圖10 聲腔模態(tài)比較

4 改進(jìn)分析

綜合分析，問題車改裝后，前頂蓋、車內(nèi)聲腔模態(tài)都與怠速發(fā)動機(jī)二階激勵相近，導(dǎo)致聲學(xué)耦合出現(xiàn)轟鳴音。消除該問題車怠速轟鳴，應(yīng)降低前蓋怠速振動、改變車內(nèi)聲腔模態(tài)。基于客戶改裝現(xiàn)狀，改變車內(nèi)布局難以實現(xiàn)，拆除頂蓋行李架及電池板也不現(xiàn)實，唯一對車輛功能改動小且客戶易接受的是加強(qiáng)前頂蓋、提高前頂蓋局部模態(tài)降低怠速振動。

在征得客戶同意情況下，對問題車前頂蓋做了加強(qiáng)橫梁、補(bǔ)強(qiáng)材處理，轟鳴音得到有效改善，滿足客戶訴求、。