基于動剛度分析優(yōu)化的汽車怠速噪聲控制

關(guān)鍵詞：怠速噪聲;排氣掛鉤;汽車仿真;動剛度

0 引言

汽車工業(yè)正在迎來迅速發(fā)展，不管是傳統(tǒng)的燃油汽車，還是新興的混動、純電動汽車，都已經(jīng)能夠進(jìn)入尋常百姓家。當(dāng)汽車在滿足大家對其外表以及動力等的標(biāo)配需求后，NVH 性能也已成為大眾消費者的重點關(guān)注對象。所以，整車NVH 性能已經(jīng)成為各大主機(jī)廠在汽車開發(fā)設(shè)計過程中非常注重的工作[1-2]。而在整車NVH 問題中，車內(nèi)怠速噪聲是比較難控制的問題之一。這類噪聲表現(xiàn)為在怠速起動時，駕駛艙內(nèi)在某個頻率下出現(xiàn)“嗚嗚”聲，這種噪聲使人感覺煩躁，是駕駛員不可接受的主觀感受[3-4]。而怠速噪聲的產(chǎn)生主要源于動力及排氣系統(tǒng)，其傳遞路徑主要為懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)和車身系統(tǒng)。

本文針對某款車型怠速存在“嗚嗚”聲異響，利用試驗和仿真結(jié)合方法，確定是排氣系統(tǒng)上掛鉤與車身安裝點動剛度不足引起。本司通過優(yōu)化掛鉤結(jié)構(gòu)，提高安裝點動剛度，采用ODS 工作變形分析方法進(jìn)行診斷，并對有關(guān)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，該系統(tǒng)在動態(tài)激勵下的抗變形能力提高，系統(tǒng)因受到激勵而產(chǎn)生的振動減小，達(dá)到了消除噪聲問題，對車內(nèi)噪聲問題解決提供了有效可行的思路。

1 聲源識別

某轎車在怠速時駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)“嗚嗚”聲，經(jīng)測試排查，發(fā)現(xiàn)聲源來自前消的消聲器主動端吊鉤位置（圖1）。該處為響應(yīng)點，頻率為183 Hz，如圖2 所示。斷開前消吊鉤后，183 Hz 的聲壓級降低15 dB，車內(nèi)“嗚嗚”聲消失（圖3）。初步判斷噪聲是由于掛鉤與車身安裝點動剛度不足產(chǎn)生，從而傳遞到車內(nèi)。

2 動剛度分析

基于測試結(jié)果，為進(jìn)一步確定是否排氣系統(tǒng)吊鉤安裝點不足而引起車內(nèi)噪聲，對吊鉤安裝點做動剛度分析。

2.1 建立白車身有限元模型及排氣掛鉤模型

利用HyperMesh 軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格建模。白車身鈑金件采用2D 網(wǎng)格單元屬性來建立：網(wǎng)格尺寸10 mm×10 mm ;鈑金件所采用的材料為鑄鐵，彈性模量為2.1×105 MPa，密度為7.83×103 kg/m3，泊松比0.3 ;鈑金件之間的連接采用Acm 單元模擬焊點連接，RB2 單元模擬螺栓連接。排氣掛鉤采用3D 六面體網(wǎng)格單元屬性來建立，網(wǎng)格尺寸3 mm×3 mm，材料與鈑金件相同（圖4）。掛鉤在白車身地板上的安裝位置如圖5 所示。

2.3 動剛度分析工況

白車身自由狀態(tài)下，運用單位激勵頻率響應(yīng)計算法設(shè)置動剛度分析工況。在排氣掛鉤上抓取的RB2 單元中心位置，分別施加X、Y、Z 三個方向的動態(tài)單位激勵力（1 N），最后輸出加速度導(dǎo)納。加速度導(dǎo)納表示的是系統(tǒng)加速度響應(yīng)與輸入力的傳遞函數(shù)[5]。為了更加直觀的對比分析，將得到的加速度導(dǎo)納轉(zhuǎn)化為某頻率下的平均動剛度值，單位為N/mm。得到動剛度曲線如圖6 所示。

根據(jù)曲線結(jié)果可以得出：該處排氣掛鉤安裝點在183 Hz左右頻率段內(nèi)的動剛度值均小于500 N/mm，最低動剛度數(shù)值僅為385 N/mm。由于其動剛度值較低，在其受到外部激勵時，容易產(chǎn)生振動，造成低頻噪聲對車內(nèi)乘員產(chǎn)生影響。所以對排氣掛鉤做問題診斷。

3 動剛度問題診斷

3.1 ODS 工作變形分析診斷

工作變形分析（Operational Deflection Shape，ODS），定義為結(jié)構(gòu)在某特定頻率下的工作變形[6]。通過變形分析，輸出排氣掛鉤動剛度最低值所在頻率181 Hz 的ODS 工作變形，模擬得到排氣掛鉤工作變形云圖（圖7）。

3.2 診斷結(jié)果

根據(jù)工作變形模擬云圖分析：在頻率為181 Hz 時，排氣掛鉤受激勵位置做X、Z 向擺動的動作，主要表現(xiàn)為Z 向上下擺動，且振幅較大，拉動橫梁做X 向擺動。為減小車身受其影響而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形和振動，應(yīng)對該排氣掛鉤中段做Z 向運動限制結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到優(yōu)化目的。

4 問題區(qū)域優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在考慮到結(jié)構(gòu)可行性和生產(chǎn)成本的情況下，針對181 Hz 頻率下的工作變形問題，對排氣掛鉤中段做限制：增加一個連接原掛鉤和地板橫梁的輔助掛鉤，與原掛鉤中前段燒焊，與地板橫梁燒焊（圖8）。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

通過對優(yōu)化后的排氣掛鉤安裝點再次進(jìn)行動剛度分析，提取曲線與優(yōu)化前的動剛度曲線進(jìn)行對比，排氣掛鉤安裝點的Z 向動剛度180 Hz 左右頻段內(nèi)已基本整體升高至目標(biāo)線以上，優(yōu)于優(yōu)化前狀態(tài)，達(dá)到了較好的優(yōu)化效果。目前狀態(tài)的動剛度值已可以接受，優(yōu)化前后對比曲線如圖9 所示。

4.3 排氣吊鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證

為進(jìn)一步驗證仿真分析的準(zhǔn)確性，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的數(shù)模制作成實物樣件裝車（圖10）。同樣按照怠速工況測試，結(jié)果表明在183 Hz 聲壓級降低8 dB（圖11）。且主觀評價怠速時的“嗚嗚”聲明顯消失，駕駛舒適性有了很大提升。

5 結(jié)論

（1）實車測試中，在怠速時駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)“嗚嗚”聲，排查主要由排氣系統(tǒng)激勵引起，傳遞到車身。初步判斷由于排氣掛鉤與車身安裝點動剛度不足，導(dǎo)致駕駛艙內(nèi)出現(xiàn)噪聲。

（2）通過建立白車身有限元模型和排氣掛鉤模型，分析排氣掛鉤安裝點動剛度較低。根據(jù)問題頻率，通過ODS 工作變形分析優(yōu)化，動剛度由385 N/mm 提升到了1 340 N/mm，減小振動，從而能有降低傳遞到車內(nèi)的噪聲。

（3）采用仿真優(yōu)化后的排氣吊鉤，在問題頻率183 Hz 聲壓級降低了8dB，主觀評價“嗚嗚”聲明顯消失。進(jìn)一步驗證了動剛度分析優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)新車型開發(fā)提供了依據(jù)。