高里程汽車NVH性能衰減評價(jià)方法

潘威 馬峰 王新文 李珊 徐傳燕

（1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院；2.山東交通學(xué)院）

隨著新車的里程數(shù)逐漸增加，整車、系統(tǒng)及零部件的功能特性都會存在一定程度的降低，與此同時(shí)NVH性能也會變差[1-2]。目前我國自主品牌汽車的新車質(zhì)量已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但其高里程性能與優(yōu)秀合資車相比還存在一定差距[3]。國內(nèi)及國外一些學(xué)者對汽車襯套退化、車身剛度變化、點(diǎn)焊松動、勻速噪聲特性等進(jìn)行了衰減研究[4-7]，但對評價(jià)方法的研究則相對較少。文章從常用的噪聲與振動指標(biāo)出發(fā)，對高里程汽車NVH性能衰減評價(jià)方法及其特性進(jìn)行了研究，初步為整車NVH性能衰減指標(biāo)的快速識別、目標(biāo)制定和問題解決提供了參考。

1 NVH性能衰減評價(jià)方法

1.1 “級數(shù)”增加量

1.1.1 噪聲聲壓級增加量

聲壓級是描述聲音大小最常用的指標(biāo)之一。汽車在零里程時(shí)，把車內(nèi)噪聲聲壓級Lp作為參考指標(biāo)，當(dāng)汽車?yán)锍踢_(dá)到i時(shí)，車內(nèi)噪聲聲壓級為Lpi。聲壓級增加量表達(dá)為：。

1.1.2 振動加速度級增加量

振動可用多種參數(shù)進(jìn)行描述，如振動位移、振動速度、振動加速度等，汽車領(lǐng)域常用振動加速度評價(jià)振動的大小。由于振動存在3個(gè)方向（X向、Y向和Z向）的能量，當(dāng)需要計(jì)算某點(diǎn)總的振動大小時(shí)，可以采用能量合成的方法，將3個(gè)方向振動加速度有效值的平方相加再開根號求得振動加速度總值，簡稱振動總值。振動總值用公式表達(dá)為：，ax、ay、az分別為車內(nèi)測點(diǎn)X向、Y向和Z向的振動加速度有效值，單位為m/s2。

為了能夠方便并直觀地對振動強(qiáng)弱以及人體感覺程度進(jìn)行定量評價(jià)，通常會采用類似噪聲描述的方法對其結(jié)果進(jìn)行恰當(dāng)處理，即采用振動加速度級對振動強(qiáng)弱進(jìn)行評價(jià)。振動加速度級用VAL[8]表示，計(jì)算公式表達(dá)為：VAL=20×lg （，a0為振動加速度基準(zhǔn)值為1×10-6，單位為m/s2。

汽車在零里程時(shí)，把車內(nèi)振動加速度級VAL作為參考指標(biāo)，當(dāng)汽車?yán)锍踢_(dá)到i時(shí)，車內(nèi)振動加速度級為VALi，則振動加速度級增加量ΔVALi可表達(dá)為：ΔVALi=VALi-VAL。

將噪聲聲壓級增加量與振動加速度級增加量統(tǒng)稱為基于“級數(shù)”的增加量。因此噪聲與振動的變化量在同一維度上進(jìn)行比較后，可快速識別出里程增加后“級數(shù)”衰減較快的噪聲或振動指標(biāo)。

1.2 能量增加率

人們通常喜歡用百分比增加率來進(jìn)行增量描述，因此提出基于能量增加率的NVH性能衰減客觀評價(jià)方法。

1.2.1 噪聲能量增加率

聲功率和聲強(qiáng)都是能量的概念。聲功率常用來表述聲源的強(qiáng)弱，聲強(qiáng)用來表述聲源以外某點(diǎn)位置聲音能量的大小。

汽車在零里程時(shí)，把汽車內(nèi)聲強(qiáng)I作為參考指標(biāo)，當(dāng)汽車?yán)锍踢_(dá)到i時(shí)，車內(nèi)噪聲聲強(qiáng)為Ii。聲強(qiáng)增加率表達(dá)為：Ai=（Ii-I）/I×100%。

1.2.2 振動能量增加率

振動加速度的有效值即均方根值，它的平方是均方值，工程上表示信號的平均功率，因而可用來表述振動信號在單位時(shí)間內(nèi)的能量。若需計(jì)算某測點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)的振動總能量，則需將其3個(gè)方向的能量相加，即將其3個(gè)方向振動的均方值相加。某測點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)的振動總能量用公式表達(dá)為：。

汽車在零里程時(shí)，把車內(nèi)振動總能量E作為參考指標(biāo)，當(dāng)汽車?yán)锍踢_(dá)到i時(shí)，車內(nèi)振動總能量為Ei，則振動能量增加率可表達(dá)為：Vi=（Ei-E）/E×100%。

2 一般高里程車NVH性能衰減研究

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公布的《家用汽車產(chǎn)品修理、更換、退貨責(zé)任規(guī)定》中規(guī)定了家用汽車產(chǎn)品包修期限不低于3年或者60000 km。本文以某汽車為例，重點(diǎn)研究其從0～65000 km高里程試驗(yàn)過程噪聲與振動的變化特性。

2.1 數(shù)據(jù)采集

本次高里程試驗(yàn)主要在珠三角地區(qū)進(jìn)行。為充分模擬用戶實(shí)際使用情況，試驗(yàn)路況包含國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道以及專用公路等各種路面。客觀測試?yán)锍坦?jié)點(diǎn)選定為零里程、30000 km、65000 km，為保證數(shù)據(jù)測量的客觀性，每次數(shù)據(jù)的采集固定在某試驗(yàn)場進(jìn)行。

2.1.1 測試系統(tǒng)及傳聲器布置

分別采用B&K 4189聲學(xué)傳聲器和B&K 4524三向振動加速度傳感器對車內(nèi)噪聲和振動數(shù)據(jù)進(jìn)行拾取，并采用LMS SCADS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。噪聲測點(diǎn)主要參考GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》[9]，在駕駛員右耳和右后乘客左耳位置各布置1個(gè)聲學(xué)傳聲器；同時(shí)在方向盤12點(diǎn)鐘以及駕駛員座椅導(dǎo)軌位置布置振動加速度傳感器。

2.1.2 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)主要對部分穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，工況及測點(diǎn)如表1所示，共12個(gè)性能指標(biāo)（前8個(gè)為噪聲指標(biāo)，后4個(gè)為振動指標(biāo)）。

表1 試驗(yàn)工況及測點(diǎn)

2.2 測試結(jié)果分析

各里程節(jié)點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)如表2所示。分別采用前述基于“級數(shù)”增加量和能量增加率的方法對噪聲和振動數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，分別得到30000 km和65000 km相對于零里程時(shí)的變化量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同里程節(jié)點(diǎn)NVH性能衰減比較

表2 各里程節(jié)點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)

圖中縱坐標(biāo)正的數(shù)值代表該指標(biāo)NVH性能有所衰減，負(fù)的數(shù)值則代表該指標(biāo)NVH性能有所變好。本文主要研究NVH性能衰減，因此主要對正的“級數(shù)”增加量或能量增加率進(jìn)行分析。耐久車?yán)锍踢_(dá)到65000 km時(shí)衰減前3位的指標(biāo)有：指標(biāo)7、指標(biāo)8和指標(biāo)6，均為勻速噪聲指標(biāo)，且均呈現(xiàn)隨里程數(shù)增加逐漸衰減（即正衰減）的特性。

首先對65000 km衰減最大的指標(biāo)7（即光滑路面60 km/h勻速駕駛員右耳噪聲）進(jìn)行分析。將其時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換并與30000 km及零里程的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，耐久里程達(dá)到30000 km時(shí)，200 Hz附近的幅值增加比較明顯，此處的2個(gè)峰值頻率恰好對應(yīng)的是輪胎空腔共振噪聲頻率[10]，其中212 Hz共振頻率的幅值從42.7 dB增加到了47.5 dB；當(dāng)耐久車?yán)锍踢_(dá)到65000 km時(shí)，輪胎另一個(gè)空腔共振頻率的幅值繼續(xù)增加，同時(shí)130 Hz附近以及300～400 Hz之間的幅值也增加明顯。通過以上變化特性可初步判斷，該耐久劣化現(xiàn)象可能是由輪胎磨損導(dǎo)致。現(xiàn)場查驗(yàn)樣車輪胎已磨損嚴(yán)重，與新輪胎花紋差異比較如圖3所示。為此，更換1套新的同品牌同規(guī)格輪胎到耐久車上，重新測得數(shù)據(jù)，指標(biāo)7的頻譜結(jié)果如圖4所示。

圖2 不同里程噪聲頻譜比較

圖3 輪胎花紋對比

圖4 更換輪胎后噪聲頻譜

從圖中可以看出，相對于原輪胎時(shí)的車內(nèi)噪聲頻譜，輪胎空腔共振噪聲頻率處以及130 Hz附近處的幅值已大幅降低，說明這些變化特性與輪胎磨損強(qiáng)相關(guān)，同時(shí)總值噪聲也由原來的59.3 dB下降到57.5 dB，降幅明顯。然而，更換新輪胎后300～400 Hz之間的幅值較原狀態(tài)變化并不大，說明此處頻率幅值的增加與其他部件衰減有關(guān)。

隨后，對65000 km時(shí)衰減較快的其它2個(gè)勻速噪聲指標(biāo)（指標(biāo)8和指標(biāo)6）進(jìn)行了類似分析，結(jié)論基本一致，說明輪胎磨損對勻速噪聲衰減影響較大。

2.3 衰減目標(biāo)制定

對于車輛行駛至65000 km時(shí)的NVH水平是否可接受，以及衰減目標(biāo)的制定，同樣是高里程汽車NVH性能衰減研究的重要內(nèi)容。由于缺乏高里程汽車NVH數(shù)據(jù)庫，暫將耐久后的數(shù)據(jù)添加到前期積累的新車數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行比對研究。該數(shù)據(jù)庫不僅包含了同級別自主品牌及合資品牌車型的客觀實(shí)測結(jié)果，還包括各車型所對應(yīng)的主觀評分（該評分與客觀測試結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系已經(jīng)過有效驗(yàn)證）。其中，主觀評分所采用的評分方法借鑒了SAE J 1060十分制[11]主觀評價(jià)評分標(biāo)準(zhǔn)，即6分代表及格，10分代表完美。同樣以該耐久車指標(biāo)7為例，將其零里程，65000 km原狀態(tài)及更換新輪胎后的噪聲數(shù)據(jù)添加到同級別新車數(shù)據(jù)庫中，比對結(jié)果如圖5所示。

圖5 指標(biāo)7總值噪聲比較

從圖中可以看出，耐久車零里程時(shí)指標(biāo)7的主觀評分處于8～9分；當(dāng)行駛到65000 km時(shí)主觀評分處于6～7分；更換新輪胎后的主觀評分可達(dá)到7～8分，此時(shí)的總值噪聲與零里程時(shí)的差值為1.6 dB。綜合以上信息，在不考慮輪胎磨損的情況下，可將該車65000 km相對于零里程時(shí)指標(biāo)7的客觀衰減目標(biāo)定義為“級數(shù)”增加量≤2 dB，能量增加率≤60%；相應(yīng)的主觀目標(biāo)定義為≤1分。

3 超高里程車NVH性能衰減研究

3.1 樣車選擇與數(shù)據(jù)采集

為節(jié)約驗(yàn)證時(shí)間，快速識別超高里程汽車的衰減水平，可采取從消費(fèi)者手中直接回購車輛的方法開展初步研究。為此，回購了3輛同款里程均超過200000 km，且未進(jìn)行過重大維修的某汽車進(jìn)行超高里程N(yùn)VH性能衰減研究。該批車回購自不同的區(qū)域，車輛信息見表3。由于回購車輛輪胎磨損程度各不相同，為消除前述輪胎磨損對勻速車內(nèi)噪聲衰減的影響，將該批次樣車更換新輪胎后，再在某試驗(yàn)場進(jìn)行測試，獲得上述12個(gè)工況下的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。

表3 回購車信息

3.2 測試結(jié)果分析

由于無法獲得每輛回購車零里程時(shí)的客觀數(shù)據(jù)，因此用該款車型上市時(shí)的5輛新車平均測試結(jié)果作為零里程時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出各回購車相對于零里程時(shí)的“級數(shù)”增加量和能量增加率，比較結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出，所有的指標(biāo)均為正衰減，其中3號車指標(biāo)12衰減異常明顯。實(shí)車確認(rèn)該車開空調(diào)時(shí)風(fēng)扇負(fù)荷較大且一直處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)整車伴隨有明顯抖動。現(xiàn)場查驗(yàn)該車在車前裝置了一個(gè)防蚊罩且積灰較嚴(yán)重。初步懷疑該裝置極大影響了進(jìn)風(fēng)效率，從而增加風(fēng)扇負(fù)荷并帶來整車抖動。拆除該裝置后，整車抖動明顯降低，指標(biāo)12的衰減量也與另外2臺車基本相當(dāng)。除此之外，衰減較明顯的指標(biāo)還有指標(biāo)5～指標(biāo)8，說明除輪胎以外的其余部件對勻速噪聲衰減較為明顯。

3.3 衰減目標(biāo)制定

為設(shè)定樣車超過200000 km后的衰減目標(biāo)值，可同樣將該批回購車的測試數(shù)據(jù)添加到同級別新車數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行比對研究，評判超高里程車的NVH水平是否可接受，并制定衰減目標(biāo)值。以3臺車衰減均明顯的指標(biāo)6為例，比對結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看出，新車零里程時(shí)的總值噪聲為65 dB左右，主觀評分處于7～8分；而3臺超高里程樣車的總值噪聲均超過了68 dB，主觀評分處于5～6分，衰減比較明顯。綜合以上信息，在不考慮輪胎磨損的情況下，可將該車型200000 km相對于零里程時(shí)指標(biāo)6的客觀衰減目標(biāo)定義為“級數(shù)”增加量≤3 dB，能量增加率≤100%；相應(yīng)的主觀目標(biāo)定義為≤2分。

4 結(jié)論

文章提出的基于“級數(shù)”增加量和能量增加率的高里程汽車NVH性能衰減評價(jià)方法，不僅可以快速定位衰減較快的噪聲或振動性能指標(biāo)，還可以設(shè)定汽車在不同高里程時(shí)衰減“多少噪聲”或“多少能量增加率”的直觀目標(biāo)值。高里程汽車NVH性能衰減研究是一項(xiàng)長期而復(fù)雜的工作，文章基于新車數(shù)據(jù)庫來設(shè)定衰減目標(biāo)值具有一定局限性，未來可依照此方法搭建高里程汽車NVH性能衰減數(shù)據(jù)庫并開展進(jìn)一步的研究。