某乘用車加速工況車內轟鳴聲診斷分析及控制方法

蔣 鄒 梁 瑩 吳文棟 羅玉軍

(1 柳州鎧玥科技有限公司 柳州 545006)

(2 上汽通用五菱汽車股份有限公司 柳州 545006)

(3 廣西科技大學 柳州 545006)

0 引言

隨著純電、混合動力汽車的出現，人們對于整車的NVH 要求愈發提高[1-2]。轟鳴聲是一種汽車噪聲。在汽車行駛過程中，短時刻內噪聲壓力顯著增大，給車內乘員帶來一種壓迫耳膜的轟鳴感覺，令乘員很不舒服[3]，同時也會大大降低整車的舒適性，不利于產品的市場競爭。各汽車企業對轟鳴聲的解決都極為關注。目前針對轟鳴聲的機理研究一般為模態分析、傳遞路徑分析、有限元分析、邊界元分析、相關分析等[4-6]。對于轟鳴聲的控制方法，相關研究人員提出了相對應的解決方法。對于后驅動力車型的轟鳴聲控制主要有避免車身結構與聲腔的模態耦合、改動懸架及后橋結構、在后橋上增加吸振器等方法[7-11]。王昆等[12]通過對轟鳴車輛的傳動系進行掃頻試驗，搭建整車多體動力學模型進行分析，通過降低離合器彈簧剛度與在傳動軸上加吸振器，解決了樣車的轟鳴問題。金巖[13]對激勵源和路徑進行測試分析，副車架的模態與車內聲腔模態耦合，通過優化懸置，在副車架上安裝吸振器降低車內轟鳴。唐吉有等[14]通過在尾門上布置升學超結構，有效降低了某轎車在勻速行駛時產生的車內低頻轟鳴。楊仕祥等[15]采用遺傳算法對懸置進行優化，降低了某商用車定置工況和怠速工況下駕駛室轟鳴聲。

本文中針對在開發階段的某乘用車加速工況下出現的轟鳴聲，首先通過主觀評價確定問題工況，其次通過實車測試，結合階次分析與模態分析鎖定轟鳴聲產生的主要原因，并提出了相應的控制方法。結合操穩、駕駛性及成本，對副車架的橡膠襯套結構進行優化，結果表明本文的控制方法可改善某乘用車的轟鳴聲。

1 車內加速工況轟鳴聲的診斷分析

整車車內作為一個密閉空間，內部的空氣具有一定的壓力，車內的壓力分布是不同的。從振動特性上來說，車內空氣具有特定的聲腔模態。外界激勵傳遞到車身，引起車聲鈑金的振動，鈑金的振動能量向車內空氣傳遞，當激勵頻率與聲腔模態一致時，引起其共鳴，形成轟鳴。

1.1 轟鳴聲的特性分析

根據主觀評價某乘用車在中大油門加速時，在2400 r/min 左右駕駛員右耳處出現轟鳴的現象，針對樣車進行加速工況的道路測試及在轉鼓消聲室中進行摸底排查測試，以便對轟鳴問題進行診斷，提出相應的解決方案。

根據主觀評價結果，在駕駛員右耳處布置傳聲器，通過LMS.TEST.LAB 設備進行數據采集，并通過can 和obd 接口讀取整車的相關參數。在試驗場道路上測試3檔全油門加速工況下的車內噪聲。

查看分析實車加速工況下的駕駛員右耳處聲壓，提取總聲壓級和階次噪聲，發現轟鳴聲出現在2400 r/min 左右，2 階次噪聲水平對總體噪聲水平貢獻最大，故提取總體噪聲水平和2 階次噪聲水平，如圖1 所示，總體噪聲水平和2 階次噪聲水平在2400 r/min的差值為1.7 dB(A)。

圖1 加速工況駕駛員右耳處噪聲階次分析Fig.1 Order analysis of driver’s right ear

該車的發動機為直列四缸四沖程式，發動機轉速n和噪聲峰值頻率f之間的存在如下關系：

式(1)中，i為階次(i=1,2,3,···)。可計算噪聲峰值對應的頻率為80 Hz左右。

1.2 轟鳴聲的診斷與路徑排查

轟鳴聲的空氣傳播主要為發動機輻射噪聲、進氣系統和排氣系統輻射噪聲，結構傳遞的主要路徑為懸置、進氣系統安裝點、排氣吊耳等。由1.1 節可知，轟鳴聲的頻率與發動機轉速相關，因此對該問題的診斷應當從動力總成相關系統入手。因此，總結轟鳴聲的主要傳遞路徑如圖2所示。

圖2 轟鳴聲主要傳遞路徑Fig.2 The main transmission path of the booming nosie

結合在半消聲室中的摸底測試結果，屏蔽進排氣后，此轟鳴聲沒有降低；查看左/懸置的主被動端振動及輪芯位置處的振動信號，沒有發現與轟鳴聲對應的峰值特征；查看后拉桿懸置處的被動端振動，其2 階振動在2400 r/min 左右存在峰值，與轟鳴聲相對應。

后拉桿懸置與副車架相連，副車架通過襯套與車體柔性連接。在整車裝配狀態下，對副車架進行模態測試，其存在83 Hz的Z向平動剛體模態(方向為整車坐標系方向，X向為從車頭指向車尾，Z向為垂直向上，根據右手螺旋定則確定Y向)，振型如圖3 所示。在副車架上增加10 kg 質量塊，主觀評價轟鳴聲改善明顯。因此，此次的轟鳴聲是由于發動機激勵通過懸置傳遞到副車架，引起副車架振動，振動傳遞到車身引發。

圖3 整車狀態下的副車架模態Fig.3 The sub -frame modal in the vehicle state

2 轟鳴聲控制方法

2.1 控制方法分析

針對1.2節中的問題，轟鳴聲控制方法有：

(1) 對噪聲振動源控制，降低其產生的能量。此方法需要改發動機結構及其控制方式，且懸置隔振率滿足要求，此方法實現較為困難。

(2) 模態錯頻或加吸振器。將副車架的模態提高，以避開共振頻率，需要增加副車架的質量，不利于輕量化和油耗。對于加吸振器，由于是Z向剛體模態，且副車架無合適位置，此方法不執行。

(3) 對傳遞路徑進行控制。副車架與車聲為柔性連接，通過改變連接點的導納與隔振率，使傳遞的能量減小，達到控制轟鳴的效果。

2.2 基于傳遞路徑分析的轟鳴聲控制方法

通過減小從副車架傳遞到車身的振動能量，提高柔性連接的導納，使得耦合力在轟鳴聲轉速段降低，從而達到控制轟鳴聲效果。

結合操穩、舒適性以及成本等綜合考慮，針對副車架與車身連接的橡膠襯套進行優化，以隔振率和導納為目標，以襯套橡膠結構和剛度為變量，分別對前后襯套進行優化迭代設計，最終確定方案為：增加橡膠襯套的下翻邊，翻邊襯套直徑增大3 mm，前襯套橡膠高度增加0.5 mm；后襯套的橡膠高度增加0.15 mm，翻邊襯套直徑增大3 mm；并在橡膠中部增加1 mm 的圓槽，優化結果如表1 所示，在改動橡膠襯套后，在與襯套相連的支撐盤上安裝點做相應整改。原狀態襯套橡膠硬度為50 邵氏硬度，將其增大至60 邵氏硬度，前襯套的軸向剛度增大4000 N/mm，后襯套的軸向剛度增大8000 N/mm。增大橡膠襯套硬度的同時增加了汽車的操穩性，如轉向準度提升，但犧牲掉部分舒適性，整體隔離的振動有所降低，但在此次問題中噪聲抑制更加重要，故選擇增大橡膠襯套硬度。

表1 副車架襯套結構優化Table 1 Optimization of the bushing structure of framework

將改制好的副車架進行裝車驗證，首先測試其在整車裝配狀態下的模態，Z向平動剛體模態由原來的83 Hz 增大至88 Hz。以主駕駛員座椅導軌為振動響應，后懸置在副車架的安裝點為敲擊點，其傳遞函數如圖4 所示，在80 Hz 左右的傳遞函數減小，振動響應降低。

圖4 副車架到座椅導軌的傳遞Fig.4 Transmission from the frame to the seat rail

測試在3 檔全油門加速工況下副車架前后橡膠襯套的隔振率，優化狀態的副車架襯套隔振率在2400 r/min 提高37 dB，取左前襯套隔振率如圖5所示。

圖5 優化狀態副車架左前襯套隔振率Fig.5 Vibration isolation rate of left front bushing of subframe in optimized state

對優化狀態的副車架進行3 檔全油門加速工況轟鳴聲驗證，結果如圖6 所示。優化副車架后在2400 r/min 聲壓總級與2 階聲壓差值為7.5 dB(A)；聲壓總級較原狀態降低2 dB(A)，2階降低7.8 dB(A)。同時，轟鳴聲主觀評價明顯降低，不適感基本消失。

圖6 轟鳴聲優化前后對比Fig.6 Comparison of booming noise before and after optimization

3 結論

針對某乘用車在中大油門加速工況2400 r/min出現的轟鳴聲問題進行診斷分析和控制。針對該轟鳴聲，首先進行主觀評價，確定問題工況。其次，通過測試診斷，利用階次分析和模態分析以及錯頻驗證，鎖定轟鳴聲由副車架共振引起。結合操穩、駕駛性及成本考慮，通過優化副車架與車身連接的橡膠襯套結構，增大其隔振率與導納，從而減小傳遞到車內的振動能量，以達到控制轟鳴聲的效果。優化后的副車架方案使得2400 r/min的聲壓總級與2階聲壓差值增大至7.5 dB(A)；聲壓總級較原狀態降低2 dB(A)，2階降低7.8 dB(A)，驗證了該方案的有效性。本文對于轟鳴聲的控制方法具有一定的參考價值。對于副車架襯套在NVH 與操穩的之間沒有較好優化兩者的平衡點，需要在后續工作中進一步研究。