某乘用車加速行駛車內噪聲問題診斷與優化研究

許京 鄧建交 姜雪 馮婧婷 張強

摘 ?要：在某乘用車的研發階段，通過主觀評價，其存在加速工況下車內轟鳴噪聲問題，使用整車虛擬仿真與試驗相結合的方法進行問題分析和診斷優化。首先，建立整車有限元分析模型，進行模型校驗，使用基于模態的頻響分析方法在整車模型中復現整車加速噪聲問題。然后使用問題診斷分析方法，對加速噪聲峰值頻率處響應結果進行節點貢獻量分析和傳遞路徑分析，識別對加速噪聲影響較大的主要傳遞路徑和車身區域。對懸置支架和車身結構進行改進，通過整車模型分析和試驗驗證，優化后整車加速噪聲問題明顯改進。利用整車虛擬分析方法能快速實現問題診斷和設計優化，極大地提高問題解決效率，實現整車NVH性能正向開發。

關鍵字：整車虛擬仿真;加速噪聲;問題診斷

中圖分類號：U461.4 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）01-0076-05

Research on Diagnosis and Optimization of Interior Noise of a Passenger Car During Acceleration

Xu Jing1，2， Deng Jian-jiao1，2， Jiang Xue1，2， Feng Jing-ting1，2， ?Zhang Qiang1，2

（1.China FAW Group Co.，Ltd. Changchun 130011， China; 2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control. Changchun 130011， China）

Abstract： In the development stage of a passenger car， through subjective evaluation， it has a problem of interior booming noise under acceleration condition. A method of combining virtual simulation and test is used for problem analysis and diagnosis optimization. First， establish a finite element analysis model of the entire vehicle and perform model verification. The modal-based frequency response analysis method is used to reproduce the acceleration noise problem in the vehicle model. Then use the diagnosis analysis method to analyze the contribution of nodes and paths at the peak frequency of the acceleration noise， and identify the main paths and body areas that have a greater impact on acceleration noise. With the improvement of the mount bracket and body structure， through vehicle model analysis and test verification， the acceleration noise problem was significantly reduced after optimization. Using the vehicle virtual simulation can quickly realize problem diagnosis and design optimization， greatly improve the problem solving efficiency， and realize the positive development of vehicle NVH performance.

Key Words： Whole-Vehicle Simulation; Acceleration Noise; Problem Diagnosis Analysis

1 ? ?問題描述

NVH是整車感知質量的重要評價指標之一，隨著乘客對車輛駕駛體驗的需求日益增加，對整車NVH性能開發逐漸趨于精細化，為了縮短整車開發流程，越來越多的使用仿真與試驗相結合的策略來分析和解決問題[1]。

整車是一個復雜的包含了多個子系統的多輸入、多輸出系統，對于NVH問題分析常用的簡化模型是“源-傳遞路徑-響應”模型[2]。加速轟鳴問題是一種常見的NVH問題，主要頻率范圍集中在中、低頻率段，用戶感知到的車內噪聲成分主要為結構傳遞的噪聲。就整車加速噪聲CAE而言，“源”主要為動力總成產生的振動激勵，不考慮路面激勵和風激勵。“傳遞路徑”主要為分為結構傳遞路徑，動力總成激勵經由懸架隔振系統傳遞到車身側，激勵起車身鈑金的振動，與車內空氣聲腔形成流固耦合效應，向車內傳遞噪聲。“響應”為車內耳旁噪聲測點，代表NVH客戶感知指標。有限元理論具有其局限性，其適用于計算200Hz以下的低頻振動噪聲，對于中、高頻段，整體模態密度會急劇增加，通常采用統計能量法進行分析。

本文以某車型加速行駛過程中，在高轉速車內噪聲大問題開展研究，通過加速行駛噪聲試驗主觀評價，車內乘員感受到轟鳴噪聲過大，有壓耳感。對此現象進行客觀測試，該工況下噪聲聲壓級曲線如圖1所示，在發動機轉速3000r/min-5000r/min之間時，車內二階加速噪聲明顯超出目標值。

2 ? ?整車加速噪聲有限元分析方法

2.1 ? 整車模型建模

為了在車型開發階段盡早的預研車內噪聲水平、進行風險評估與解決，使用整車虛擬分析的方法進行研究。搭建整車虛擬平臺的總體思路是由總成級到整車級，整車模型是由車身、底盤、動力總成組成，各個總成又包含各子系統有限元模型，各子系統之間建立連接關系，比如使用自由度關系模擬萬向節和球鉸鏈接，使用MPC模擬齒輪傳動關系，使用彈性屬性（pbush或pbusht）模擬隔振元件。同時，根據整車項目進展狀態和分析工況，快速進行部件的裝配與替換、動力總成檔位切換、隔振元件工作點剛度的模擬等。目前，整車虛擬模型精度與試驗結果趨勢一致，能進行問題復現和方案擇優。

2.2 ? 整車模型校驗

對各個子模型分別進行校驗，包括全飾車身模型、聲腔模型、動力總成模型、傳動系模型、前/后懸架模型、輪胎模型等，本研究所參照的整車各個子模型校驗項如表1所示：

2.3 ? 整車加速噪聲有限元分析

在各子模型滿足質量、慣量、模態和傳遞函數等精度要求的前提下，在NVHD軟件中建立整車模型，整車有限元模型如圖2所示，使用整車虛擬模型進行針對加速噪聲問題進行趨勢預測。

整車加速行駛時，主要結構激勵是由動力總成產生的，振動通過懸置向車內傳遞。對于四缸發動機，激勵的主體成分是發動機二階激勵，提取懸置被動端加速度，結合懸置被動端測點到車內噪聲響應點的傳遞函數，通過傳遞函數逆矩陣方法計算得出頻域下懸置被動端激勵力和相位，以此作為整車模型的輸入激勵。

整車虛擬分析主要采用基于模態的頻響分析方法，計算車內噪聲響應。分析頻率范圍根據階次激勵頻率范圍確定，對應于發動機轉速1511-5452r/min區間，動力總成二階激勵下分析頻率范圍為41-171Hz，4階激勵下分析頻率范圍為101-363Hz，結構模態的計算頻率上限取分析頻率上限的1.5倍，聲腔模態的計算頻率上限取分析頻率上限的3倍。整車前后排主階次噪聲如圖3所示。通過加速工況司機外耳噪聲與試驗結果對比，整車虛擬有限元模型能在趨勢上較好的吻合試驗值，驗證了仿真分析結果的有效性。

3 ? ?整車加速噪聲問題診斷

3.1整車加速噪聲機理分析

對于全油門加速工況高轉速噪聲大的問題進行問題初步排查，使用NVH專業常用的“源-傳遞路徑-響應”分析方法，主要影響因素如圖4所示，初步判斷高轉速噪聲大，是由于發動機本體振動大，經后懸置、排氣吊掛傳遞到車身，激起車身結構的局部模態后輻射到車內引起。對于NVH問題的解決通常有以下三種方式：

（1）控制噪聲源，降低對系統的激勵力的輸入。

（2）通過隔振、吸振等方式，削弱路徑傳遞。

（3）優化車身結構，降低車內噪聲響應。

3.2 ? 傳遞路徑診斷分析

傳遞路徑分析方法能識別結構激勵源通過連接點到響應點的全部路徑，根據所關注的頻率將路徑貢獻進行排序，以確定對噪聲響應影響最大的關鍵路徑和關鍵頻率[3-4]。將整車看做一個線性系統，如圖5所示，車內噪聲響應可以表示為：Pt=∑pathsPi=∑paths（Hi×Fi）。其中：發動機激勵有xyz三個分量，經由多個傳遞路徑到響應點，Hi代表各個路徑的傳遞函數，Fi代表各個路徑的激勵，各個路徑上兩者乘積的求和即為聲壓響應Pt。

以整車加速工況車內噪聲為例，主要的結構激勵為動力總成，動力總成激勵的結構傳遞路徑主要是經由懸置連接點、副車架連接點、減振器連接點、傳動軸連接點和排氣吊掛等傳遞到車身。

圖5 加速噪聲傳遞路徑分析示意圖

整車加速行駛時，主要激勵源為動力總成往復慣性力和慣性力矩，通過在發動機第三軸承座分別施加6個自由度方向的激勵力和曲軸轉動方向的激勵力矩，計算動力總成到車身連接點的噪聲傳遞路徑。結果如圖6和圖7所示，在激勵力和激勵力矩分別作用下，主要噪聲路徑皆為動力總成后懸置與車身連接點。

3.3 ? 貢獻量分析

當車身傳遞函數對車內噪聲靈敏度較高時，可以使用節點貢獻量分析方法識別出對車內噪聲影響較大的關鍵零部件，尋求最經濟、有效的解決方案[5]。節點貢獻量分析是一種快速、有效的整車問題診斷方法，應用該方法將車內聲腔作為控制體，能夠識別出聲固耦合界面上對峰值頻率的聲學響應有顯著貢獻的結構區域，通過降低此區域的結構振動即可降低響應點聲壓，通常的方法是對此區域的結構進行設計更改。為解決整車開發過程中的NVH問題提供更有針對性的優化方向。

針對整車加速噪聲147Hz峰值處進行節點貢獻量分析，節點貢獻量分析結果如圖8所示，紅色區域對于響應點聲壓有正貢獻的區域，即使聲壓響應增加，NVH性能變差。由對駕駛員外耳響應點的節點貢獻量分析可得出，車身后地板是對車內噪聲貢獻較大的關鍵區域。

4 ? ?整車加速噪聲問題優化

通過對整車模型的TPA分析，后懸置與車身連接點為主要路徑貢獻點，針對后懸置區域提出優化方案。對加速過程中的主要路徑后懸置支架進行優化，采用短機加后懸置支架，提升局部剛度，如圖9所示。后懸置支架優化前后的效果如圖10所示，優化后，在140Hz以上能普遍降低車內噪聲聲壓級，峰值處最大改善4dB（A）。通過整車加速試驗驗證，頻譜圖和3D彩圖分別見圖11和圖12。短機加后懸置支架對4000r/min以上二階噪聲改善明顯，并在4600r/min附近改善5dB（A）。

對于整車節點貢獻量分析結果，對后地板區域進行優化改進，優化方案即在后地板左、右縱梁處各增加兩個2kg的質量塊，如圖13所示。以改變車身后地板處局部模態，達到移頻的效果，降低車內噪聲響應，如圖14所示。通過整車加速試驗驗證，頻譜圖和colormap圖分別見圖15和圖16。3800r/min以上2階改善明顯，峰值處降低5dB（A），總值降低2dB（A）。

5 ? ?結語

本文通過整車虛擬與試驗相結合的方法，對整車加速噪聲問題進行問題分解和診斷優化。

（1）通過整車各個子模型標定和整車模型的標定，整車虛擬仿真的方法能對整車加速NVH問題進行較好的模擬，仿真精度能夠滿足NVH問題分析和解決的要求。

（2）通過對整車模型加速問題頻率下的TPA分析和貢獻量分析，快速識別主要影響因素，提出2種優化方案，使用CAE與整車測試方法分別進行驗證，最終驗證方案的有效性。

參考文獻：

[1]李秋悅.基于傳遞路徑分析的車輛結構路噪診斷與優化研究[D].武漢：武漢理工大學，2018.

[2]許欣尉，李龍，許春鐵，等. 基于有限元的轉向盤擺振整車分析方法研究[J].2019中國汽車工程學會年會論文集，2019.

[3]葉松奎.傳遞路徑分析法在方向盤振動分析中的應用[J].客車技術與研究，2016（01）.

[4]韓炯剛，孫健穎，劉佳，等.某SUV低轉速車內轟鳴問題的分析與解決方法[J].汽車科技，2019（03）.

[5]龐崇劍，常光寶，李小梅，等.基于發動機激勵的整車結構噪聲優化設計[J].汽車零部件，2019（10）.

專家推薦語

王 ? 彥

東風汽車股份有限公司商品研發院CAE

及NHV技術首席設計師 ?研究員級高級工程師

針對乘用車加速行駛車內轟鳴聲問題，整車虛擬仿真與試驗相結合，進行整車傳遞路徑分析和貢獻量分析，快速識別主要影響因素，提出2種優化方案，問題改善較好。