某車型發動機定速車內轟鳴聲問題探究

陽仁松 林文干 江克峰 李浩亮

東風汽車股份有限公司商品研發院 湖北武漢 430057

1 前言

隨著全球生態環境的惡化與能源的日益緊缺，汽車輕量化設計已經成為各汽車制造商的設計主流，但與此同時導致了更多的振動噪聲及相關的問題。汽車車內噪聲不僅易引起駕駛員和乘客的疲勞，同時也影響了汽車的行駛安全。因此，隨著人們對環保的日趨重視以及對現代汽車舒適性的要求，車內噪聲特性已成為汽車乘坐舒適性的主要評價指標之一。

2 控制車內噪聲的主要思路

在開發過程中，某微型客車進行了詳細的NVH[1]性能目標分解，大量的CAE仿真計算和試驗測試，以及嚴格的零部件質量控制。研究顯示，發動機在一定轉速下出現了車內轟鳴聲明顯的問題，嚴重影響到了該車型的駕駛舒適性。

針對上述微型客車在行駛過程中車內產生共鳴聲及車身有很強的抖動現象，本文通過對與車身振動噪聲[2]有關聯的各個系統進行一一排除，最終確認該車型發動機右懸置動剛度對車身振動噪聲影響最大。在考慮裝配及焊接工藝等因素下，通過有限元技術對該發動機右懸置進行動剛度分析和結構參數敏感性分析，提出了一個較為合理的改進方案。改進方案裝車后 NVH 測試結果顯示，車內噪聲明顯降低。

3 車內噪聲問題分析

該車型在發動機3 300 r/min、3 600 r/min和3 900 r/min左右，車內轟鳴聲嚴重，極度影響了人的聽覺。需要說明的是，轟鳴聲與冷卻風扇、空調、鼓風機、檔位、車速均無關，同時，相比競品車，車內噪聲在80 km/h以上（發動機在其它轉速）時，車內噪聲可以接受。

在車輛定置情況下，發動機是主要振動源，懸置是動力系統的振動傳遞給車身的主要路徑。如果懸置的隔振性能不良，導致車身的振動過大，也會產生轟鳴聲。對懸置的考察，主要從橡膠軟墊、發動機側和車身側兩個懸置支架共三個方面去考慮。由于發動機側的支架是鑄件且之前經過嚴格的試驗，所以支架主要考慮車身側支架，下面的分析就從橡膠軟墊和車身側支架兩個零件進行模態計算及在整車上進行測試，進而找出問題點，為下一步的解決問題提供數據支持。

3.1 橡膠軟墊剛度的影響

懸置的橡膠軟墊是隔振主要部件，而橡膠軟墊的核心指標就是剛度。6自由度解耦計算是目前確定其剛度的主要成熟的方法。通過解耦計算，將動力總成的6個剛體模態頻率進行了合理分布，同時還獲取各方向的剛度值（如圖1）。由于軟墊各方向上的剛度分開，理論上最大限度地避免振動耦合，也便于生產控制。從該懸置解耦的結果（見表1）看，動力總成在X、Y、Z三個方向以及繞X軸轉動自由度解耦度均達到了90%以上，應該能很好地滿足設計要求。

圖1 懸置解耦計算模型

表1 懸置解耦計算結果

設計給出了合理的剛度值，但在實際的測試過程中，我們發現裝車樣件的剛度值與設計理論值有較大差距，如圖2所示。

圖2 懸置軟墊的實際剛度與理論值間的比較

按圖3所示的流程，需重新優化、調試懸置，使其符合設計要求。

圖3 懸置軟墊剛度控制流程

將滿足設計要求的懸置裝配到整車上，進行懸置隔振率測試。結果表明僅右懸置Z向隔振率在發動機大部分轉速下均低于8 0%，而且在3 9 0 0 r/min左右有明顯下降，應引起注意，如圖4所示。

圖4 懸置隔振率測試

3.2 車身側支架剛度的影響

支架的剛度不夠，會導致整車狀態下懸置隔振率過低的問題。衡量懸置支架剛度的指標通常有兩個：一是支架剛度是軟墊剛度的6～10倍，另一個是支架的固有頻率≥500 Hz。由于右懸置Z向隔振測試結果存在明顯的問題，正對右懸置支架進行模態計算和測試如圖5～7所示。

圖5 右懸置車身側支架照片

圖6 右懸置支架模態計算

圖7 右懸置支架模態測試

表2計算和測試的結果表明，右懸置車身側支架第一階模態在559 Hz左右，滿足設計要求。

表2 右懸置支架模態計算和測試結果

為進一步驗證現有懸置支架剛度是否會產生轟鳴聲問題，將支架3個面增焊一層等料厚的鋼板，見圖8，然后正常安裝在整車上進行主觀評價，但效果不明顯。

圖8 增加右懸置支架剛度

4 解決方案

緊緊抓住車身側右懸置支架Z向隔振率差這一線索繼續對該車身結構進行研究。

4.1 傳遞函數（FRF）測試與分析

傳遞函數是對裝配結構振動屬性描述的有用工具。在整車狀態下對右懸置支架做原點傳遞函數測試，如圖9所示。測試結果表明，傳遞函數在119 Hz、131 Hz、141 Hz處存在明顯峰值（其它峰值由于頻率較高，超過了發動機常用轉速對應的點火頻率，所以不再列出），而且整體傳遞水平偏高。這說明發動機的振動會通過右懸置在119 Hz、131 Hz、141 Hz給車身很大的激勵。CAE的計算結果也與測試結果一致，如圖10所示。

圖9 右懸置FRF測試

圖10 FRF計算

4.2 右懸置支架安裝基礎動剛度分析

支架單個零件的剛度滿足要求，但其在整車裝配條件下的FRF表明其剛度明顯不足，這只能說明支架的安裝基礎剛度不夠。CAE的分析結果也印證了這一點。如圖11所示，藍色曲線是整車裝配條件下右懸置支架的動剛度，紅色曲線為左懸置支架動剛度，綠色的是目標曲線。從圖12中的應變能分析圖中可以看出，變形集中在右懸置支架安裝基礎（右縱梁及其兩安裝小支架上），該處剛度明顯不足。

圖11 裝配條件下右懸置支架剛度分析圖

圖12 右懸置支架處應變能分析圖

4.3 手工驗證

鑒于以上分析，右懸置支架安裝基礎的剛度不足很有可能就是引起車內轟鳴聲的根源，因此對支架安裝基礎進行手工改制，增強其剛性。將35號車右縱梁切開，在里面增加4 mmU型加強板和橫向支撐板，手工制作右懸置支架的安裝支架（4 mm料厚），并新增加2個螺栓安裝點（如圖13紅色圈內）。

圖13 手工改制

改進后，客觀測試結果表明：右懸置傳遞函數幅值明顯下降（如圖14～15）。主駕駛員右耳處的聲壓值在發動機3 315 r/min、3 670 r/min、3 860 r/min處分別降低了4.4 dB（A）、9.9 dB（A）和4.6dB（A），如表3所示。主觀評價效果十分明顯。

圖14 改進前FRF測試對比

圖15 改進前后噪聲測試對比

表3 改制后效果

經過以上解析，可以得出結論：由于車身右縱梁懸置安裝處剛度不足，導致懸置隔振率差。發動機振動主要通過右懸置路徑傳入車身，引起車身振動過大，產生轟鳴聲。

4.4 小批量驗證

為保證批量生產效果，在設計改進后做小批量裝車驗證很有必要。

4.4.1 設計方案選擇、優化

根據實際情況，做了10個方案。針對10個方案，做動剛度計算如圖16所示，并與目標線、左懸置進行比較，最終懸置選擇了方案10，如圖17和18所示。

圖16 設計方案

圖17 方案優化

圖18 方案10

4.4.2 工藝方案

焊接工藝方案對安裝精度和剛度都有很大的影響。如圖19焊接工藝方案圖所示，方案一采用沖壓件焊接（點焊方式），方案二采用板材拼焊方式。方案一采用模具件、焊裝工藝方便快捷、變形小，裝配精度容易保證，缺點是由于焊點少，剛度會減弱。方案二采用板材拼焊（手工CO2保護焊），不需要制造成型模具、成本低，但焊接后剛度強，缺點是焊接工時長、焊接質量不宜保證，而且焊接后變形大，影響裝配精度。

圖19 焊接工藝方案圖

綜合考慮，選擇懸置方案一。

4.4.3 細節優化

針對設計、工藝方案。在以下幾個方面進行優化，如圖20所示。

圖20 細節優化圖

a.增加工藝避讓孔，保證寬窄車縱梁模具共用。

b.增加工藝缺口，便于沖壓，有利于涂裝漏液。

c.定位壓緊面與原設計一致，保證夾具通用性。

d.合理間隙預留，避免干涉導致焊接時零件難放入。

4.4.4 小批量裝車效果

圖21 小批量樣件

表4 改進后小批量驗證結果

5 結語

本文結合多年實際工作經驗，成功解決了該發動機定速工況下車內轟鳴聲這一疑難問題，顯著提升了該車的駕乘舒適性。其中，在整車裝配條件下，對懸置支架采用有限元頻率響應分析方法進行仿真計算與優化的方法和采用分隔車內空間、改變車內空間體積，進而改變車身聲腔模態做物理驗證的方法，為解決發動機定速工況下車內轟鳴聲問題總結出了一套較為完整工作的思路。