乘用車備胎艙對(duì)路噪的影響和優(yōu)化

黃靈河 羅穎 劉國(guó)彬 陳祝建 吳文棟

摘? 要：針對(duì)某SUV車型低頻路噪轟鳴聲問(wèn)題，實(shí)車道路排查測(cè)試發(fā)現(xiàn)備胎艙與車內(nèi)轟鳴聲存在強(qiáng)相關(guān)，并結(jié)合前期的仿真分析結(jié)果，識(shí)別出備胎艙是引起車內(nèi)轟鳴聲主要原因。通過(guò)充分利用截面幾何力學(xué)特性指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高備胎艙剛度，使其模態(tài)頻率與問(wèn)題頻率避頻，達(dá)到改善駕乘人員的乘坐舒適度。同時(shí)也為后續(xù)車型開發(fā)過(guò)程中提供借鑒，備胎艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)，不僅要滿足承重的性能指標(biāo)要求，還要兼顧NVH性能指標(biāo)，特別是在共平臺(tái)車型開發(fā)過(guò)程中，此性能指標(biāo)制定尤為重要，如果舒適性能指標(biāo)制定合理，可以有效避免共用底盤件不同車型由于配置產(chǎn)生的其他NVH問(wèn)題，也可以間接減少物理試驗(yàn)的投入，降低開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：路噪；轟鳴聲；截面；測(cè)試

中圖分類號(hào)：U463.1；TB535? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2024）02-0099-05

Influence and Optimization of Passenger Car Spare Tire Compartment on Road Noise

HUANG Ling-he1， Luo Ying1， Chen Zhu-jian1， Liu Guo-bin1， Wu Wen-dong2

（1. Liuzhou Kaiyue Technology Co.Ltd.， Liuzou 545616， China; 2.Dongfeng Liuzhou Automobile Company Limited.， Liuzou 545005， China）

Abstract： Aiming at the problem of low-frequency road noise roar of a certain SUV model， it is found that there is a strong correlation between the spare tire compartment and the roar inside the vehicle through the road test of the real vehicle， and then the spare tire compartment is identified as the main cause of the roar inside the vehicle through simulation analysis. Then the structural optimization is guided by the geometric properties of the section to improve the stiffness of the spare tire cabin， avoid the modal frequency and the problem frequency， and improve the ride comfort of the drivers and passengers. NVH performance indicators should be taken into account in the configuration design of the spare tire compartment for the follow-up model development process. Especially in the development process of common platform models， this performance index is more important. Reasonable performance index formulation in the whole vehicle development process can effectively avoid other NVH problems caused by different models due to configuration， and can also indirectly reduce the investment in physical testing and reduce development costs.

Key Words： Road Noise; Booming Noise; Cross Section; Test

1? ? 前言

車身備胎艙是整車白車身的重要組成部分，也是下車體地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的重要一部分，它不僅承受備胎與行李物品的重量，也會(huì)承受汽車行駛時(shí)底盤傳遞到它的振動(dòng)。乘用車SUV車型備胎艙一般與車身后排乘員艙是相連的，如果備胎艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，將直接影響后排乘客的乘車感受，因此備胎艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮承重的問(wèn)題，還要考慮避開產(chǎn)生振動(dòng)噪聲相關(guān)的舒適性問(wèn)題[1]。所以，SUV車型備胎艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅需要滿足承重的剛強(qiáng)度指標(biāo)外，還要兼顧滿足乘員舒適性指標(biāo)要求，使其避免產(chǎn)生振動(dòng)噪聲相關(guān)的問(wèn)題。

備胎艙作為白車身平面鈑金覆蓋率比較大的部件之一，其屈服強(qiáng)度都比較低，而且備胎艙為深沖壓區(qū)。由平板的振動(dòng)理論可知，平板的厚度增加，其抗彎曲能力會(huì)增加。但在實(shí)際工程當(dāng)中，單一的增加厚度來(lái)達(dá)到某個(gè)性能指標(biāo)不是最佳選擇，因?yàn)椴牧虾穸鹊脑黾樱粌H會(huì)增加開發(fā)投入成本，還增加整車的車身重量，會(huì)對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生直接影響。工程上對(duì)某個(gè)部件性能提升，首先要考慮的是在不增加成本的條件下作為首選方案，其次就是要滿足整車開發(fā)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。平臺(tái)化車型備胎艙設(shè)計(jì)要考慮不同配置性能指標(biāo)問(wèn)題，如果只考慮單一車型成本問(wèn)題，由配置發(fā)生差異而引起的其他NVH性能問(wèn)題，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)也是增加成本投入的。

2? ? 問(wèn)題概述

對(duì)某SUV乘用車進(jìn)行整車NVH道路噪聲評(píng)價(jià)，汽車在粗糙路上行駛時(shí)，車內(nèi)后排乘員位置有較強(qiáng)的低頻轟鳴聲，主觀無(wú)法接受，前排無(wú)明顯轟鳴聲，并且路面越粗糙、車速越快車內(nèi)轟鳴聲越明顯。為了排查這一問(wèn)題是否是動(dòng)力總成引起，針對(duì)不同檔位不同工況和路面進(jìn)行多次對(duì)比評(píng)價(jià)，當(dāng)樣車在粗糙路面行駛時(shí)，無(wú)論帶檔勻速、帶檔滑行或者空檔滑行該問(wèn)題一直存在，而在光滑路面行駛，車內(nèi)轟鳴聲明顯減弱。從以上評(píng)價(jià)結(jié)果可判斷此問(wèn)題與動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)性較小，主要與路面激勵(lì)相關(guān)，可以初步判定轟鳴聲為路噪問(wèn)題。

為了確定轟鳴聲具體頻率，通過(guò)數(shù)采前端采集樣車問(wèn)題工況數(shù)據(jù)，從樣車客觀數(shù)據(jù)分析來(lái)看，粗糙路勻速50km/h工況，車內(nèi)后排在43Hz、89Hz、101Hz多個(gè)頻率存在噪聲峰值，如圖1所示。其中43Hz峰值達(dá)到了52.7dB（A），通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放和結(jié)合實(shí)車主觀評(píng)測(cè)，確認(rèn)后排轟鳴聲主要是由43Hz峰值引起，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)排查和優(yōu)化[2]。

3? ? 路面噪聲產(chǎn)生機(jī)理

整車路噪是指汽車行駛時(shí)，由于路面與輪胎摩擦變形產(chǎn)生的激勵(lì)，使輪胎結(jié)構(gòu)特性引起的振動(dòng)，經(jīng)由懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和空氣介質(zhì)的傳遞，最終作用于車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，引起的車內(nèi)噪聲。路面噪聲根據(jù)傳遞路徑的不同，可分為結(jié)構(gòu)傳遞和空氣傳遞兩種。在車內(nèi)噪聲頻譜特征中，低頻主要成分為結(jié)構(gòu)聲，高頻主要成分為空氣聲[3]。車內(nèi)轟鳴聲的表現(xiàn)頻帶為20～200Hz，因此，結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)所占比重較大，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)傳遞路徑去排查問(wèn)題。當(dāng)汽車行駛時(shí)輪胎受到路面激勵(lì)作用，產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)輪胎傳遞到軸頭，再?gòu)妮S頭分別通過(guò)懸架、副車架等部件傳遞到車身，最終引起車身鈑金件共振并作用于聲腔，產(chǎn)生的轟鳴聲。

由于整車開發(fā)過(guò)程中，輪廓尺寸開發(fā)初期已定，車內(nèi)聲腔又由整車輪廓尺寸決定，因而車內(nèi)聲腔模態(tài)也已經(jīng)固定，很難再進(jìn)一步優(yōu)化。因而，在實(shí)際工程方案中，解決低頻路噪問(wèn)題的主要途徑主要從三個(gè)方向去考慮：一是從激勵(lì)源上優(yōu)化，降低振動(dòng)源，例如使用靜音輪胎，降低激勵(lì)源振動(dòng)；二是從傳遞路徑上優(yōu)化，降低傳遞到車身的激勵(lì)力，例如優(yōu)化懸架系統(tǒng)的襯套，提高襯套隔振效率，削減作用在車身上的激勵(lì)力；三是從響應(yīng)端進(jìn)行優(yōu)化，提高響應(yīng)部件結(jié)構(gòu)剛度，降低板件自身振動(dòng)響應(yīng)和表面輻射噪聲，例如大鈑金件局部增加支撐梁提高板件剛度。

3.1? ?問(wèn)題排查

結(jié)合實(shí)車測(cè)試和前期仿真結(jié)果，下列是低頻35～50Hz頻率子系統(tǒng)一階模態(tài)頻率，如表1所示，大部分是大鈑金覆蓋率高的系統(tǒng)。

為進(jìn)一步確認(rèn)哪個(gè)系統(tǒng)是引起車內(nèi)轟鳴問(wèn)題，對(duì)上述系統(tǒng)逐一排查。工程上大鈑金件的振動(dòng)噪聲問(wèn)題排查手段，主要通過(guò)增加質(zhì)量或者貼阻尼片的方式快速開展排查。在對(duì)備胎艙系統(tǒng)進(jìn)行初步排查發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，移除備胎或改變備胎艙承重時(shí)，實(shí)車主觀車內(nèi)后排轟鳴聲有明顯變化，其他子系統(tǒng)在排查過(guò)程中，車內(nèi)轟鳴聲均無(wú)明顯變化。

綜合各個(gè)系統(tǒng)客觀數(shù)據(jù)分析和主觀評(píng)測(cè)結(jié)果，確認(rèn)備胎艙是引起車內(nèi)后排轟鳴聲的主要原因。

3.2? ?優(yōu)化和改進(jìn)措施

3.2.1 模型校核

為優(yōu)化備胎艙的結(jié)構(gòu)，首先要對(duì)備胎艙CAE原狀態(tài)模型校核，保證仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差在5%內(nèi)。裝車狀態(tài)備胎跟地板接觸的部分是輪胎胎皮區(qū)域，仿真模型接觸部分采用CBUSH單元模擬連接，備胎中心固定螺栓連使用剛性單元模擬，點(diǎn)焊連接使用rbe3+hex8單元模擬。

由仿真和測(cè)試結(jié)果可知，備胎艙仿真結(jié)果一階模態(tài)為44.6Hz，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為42.8Hz，仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差為4.2%，誤差在5%以內(nèi)滿足指標(biāo)要求，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。可以使用該模型對(duì)后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并指導(dǎo)試驗(yàn)方案。

從測(cè)試結(jié)果看，是備胎艙一階模態(tài)被激發(fā)引起的車內(nèi)后排轟鳴聲，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在工程上通常大鈑金提高剛度最直接有效的方法是在大平板上沖壓筋[4]，或者增加加強(qiáng)件。從部件截面幾何結(jié)構(gòu)的角度看，無(wú)論是沖壓筋條或者增加加強(qiáng)件，都是改變截面的幾何形狀。因此，充分了解幾何截面力學(xué)性能，就很好指導(dǎo)和優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)。

3.2.2 典型截面理論基礎(chǔ)

車身骨架是由很多不同形狀的梁構(gòu)成，梁的結(jié)構(gòu)性能很大程度上影響整車的性能。其梁的截面幾何性能直接影響梁的力學(xué)特性，進(jìn)而也影響整車性能。因此，整車設(shè)計(jì)過(guò)程中，梁截面的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，用最少的材料，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，是所有工程設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題。

在材料力學(xué)中，截面幾何屬性主要有形心、面積、軸慣性矩、極慣性矩、靜矩、慣性積、彈性和塑性截面模量等。其中的面積、慣性矩直接影響梁的力學(xué)性能。車身骨架梁截面屬于典型的薄壁梁結(jié)構(gòu)截面，影響薄壁梁結(jié)構(gòu)截面性能主要參數(shù)是截面的面積A和形心主慣性矩Ix（Iy）、扭轉(zhuǎn)常數(shù)It。

慣性矩定義：截面上所有點(diǎn)至坐標(biāo)軸距離平方的和。它是一個(gè)幾何量，反映截面上的點(diǎn)相對(duì)于軸的分布情況。通常被描述為截面抵抗彎曲的特性，其單位為（m^4）。

由材料力學(xué)可知，梁受到外力作用時(shí)其變形有：

其中，M為梁受到的力矩，E為材料彈性模量，Iz為梁慣性矩。式中EI為梁的抗彎剛度， 其中E為定值，材料抗彎剛度主要是由慣性矩大小決定。

由圓形軸受到扭矩作用時(shí)，兩截面相對(duì)扭轉(zhuǎn)角有：

其中，M為軸受到的扭矩，L為作用軸的長(zhǎng)度，G為材料剪切模量，Ip為軸慣性矩。式中GI為圓形桿的抗扭剛度， 其剪切模量G一定，材料抗扭剛度主要是極慣性矩大小決定。

由材料受力變形理論可知，部件抵抗彎曲或者扭轉(zhuǎn)的主要參數(shù)是慣性矩。為了對(duì)比不同形狀的截面性能參數(shù)，對(duì)相同材料尺寸圍成不同形狀截面參數(shù)對(duì)比，如表2所示：

其中：IX . IY慣性距； It扭轉(zhuǎn)常數(shù)。

通過(guò)結(jié)果對(duì)比可知，相同尺寸的材料，圍成不同形狀的幾何截面，開口截面，其扭轉(zhuǎn)常數(shù)很小，說(shuō)明抗扭剛度小，封閉截面的扭轉(zhuǎn)常數(shù)變得非常大，其抗扭得到大幅提高，說(shuō)明結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。所以在整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中重要骨架部分都采樣封閉梁形式。

3.2.3 備胎艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化

要對(duì)部件進(jìn)行優(yōu)化，首先要確認(rèn)所要評(píng)價(jià)的幾何截面。截面選取原則是，找出部件在安裝狀態(tài)下最薄弱的部位，評(píng)價(jià)的幾何截面必須要通過(guò)該部位。

該SUV車型備胎艙結(jié)構(gòu)是倒“U”結(jié)構(gòu)，要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，首先確定備胎艙比較弱的部位，再對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。從備胎艙模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果看，備胎艙振幅最大的是備胎安裝中心點(diǎn)，也是結(jié)構(gòu)的薄弱位置，且備胎安裝位置為圓形，選定通過(guò)備胎艙中心點(diǎn)的幾何截面作為評(píng)估備胎艙的結(jié)構(gòu)性能。本案選取整車坐標(biāo)X-Z平面（A-A）和Y-Z平面（B-B）作為優(yōu)化基準(zhǔn)，如圖3a所示：

對(duì)截面性能評(píng)估時(shí)，其截面各個(gè)部件要求相連，所以在獲取截面后要對(duì)截面進(jìn)行必要連接處理，板件之間連接用點(diǎn)焊模擬，如圖3b：

從上述方案結(jié)果可知，在原狀態(tài)沒有加強(qiáng)梁的X-Z截面抗扭常數(shù)較低。方案一增加地板厚度X-Z截面抗扭常數(shù)相對(duì)原狀態(tài)有所提升，但提高幅度不明顯，且該板件增加厚度對(duì)成本投入較大，方案不予采納；

方案二增加橫梁厚度，X-Z截面抗扭常數(shù)也未得到大幅提高，方案不通過(guò)；方案三相當(dāng)于改變截面長(zhǎng)寬比，X-Z截面抗扭常數(shù)也未得到大幅提高，方案也不予采納；

方案四在增加縱梁，在X-Z幾何平面形成一個(gè)封閉的梁截面，抗扭常數(shù)得到大幅提高，且該方案在其它數(shù)模都鎖定的狀態(tài)下，該方案工程化方案最容易實(shí)施，方案予以采納；

綜合上述優(yōu)化方案，截面抗扭常數(shù)不會(huì)因?yàn)榘搴竦脑黾踊蛘咴黾悠鸾罡叨榷蠓岣撸挥性趲缀谓孛嬗蟹忾]形狀的情況下，抗扭常數(shù)才大幅提高。初定方案四作為工程化方案的驗(yàn)證方案，首先要對(duì)方案進(jìn)行CAE驗(yàn)證，關(guān)注優(yōu)化方案結(jié)果是否與車內(nèi)聲腔或其它部件模態(tài)存在耦合，若存在模態(tài)耦合，會(huì)引起其它的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。通過(guò)仿真分析，優(yōu)化后備胎艙一階模態(tài)由44.6Hz提升至49.5Hz，且與其它車身系統(tǒng)模態(tài)未存在耦合現(xiàn)象，推薦在樣車進(jìn)行手工方案驗(yàn)證，如圖4a所示：

4? ? 樣車驗(yàn)證

針對(duì)仿真方案的改善效果，在問(wèn)題樣車上進(jìn)行手工改制驗(yàn)證，如圖4b所示。實(shí)車在備胎艙增加縱梁方案后，樣車以相同條件進(jìn)行路試驗(yàn)證，客觀數(shù)據(jù)采集的同時(shí)開展主觀評(píng)測(cè)，客觀測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，車內(nèi)后排乘員耳旁位置在43Hz噪聲峰值下降6.9dB（A），車內(nèi)總聲壓級(jí)降低1.8dB（A），如圖5所示，客觀數(shù)據(jù)轟鳴聲有顯著改善；對(duì)車內(nèi)進(jìn)行主觀評(píng)測(cè)，車內(nèi)轟鳴聲壓耳感改善明顯，評(píng)測(cè)可接受。

5? ? 結(jié)論

針對(duì)某SUV車型路噪車內(nèi)轟鳴問(wèn)題[5]，通過(guò)測(cè)試識(shí)別引起轟鳴聲是備胎艙，再利用幾何截面力學(xué)屬性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

（1）備胎艙對(duì)車內(nèi)噪聲影響主要表現(xiàn)為低頻壓耳的轟鳴聲，主要表現(xiàn)頻率范圍為35～45Hz；

（2）充分利用幾何截面力學(xué)屬性特征，對(duì)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，零部件關(guān)鍵部位，建議采用封閉梁截面形式；

（3）備胎艙設(shè)計(jì)除了要滿足剛強(qiáng)度性能指標(biāo)外，還要滿足駕乘人員的舒適性需求，在開發(fā)過(guò)程要兼顧兩者的性能指標(biāo)，其舒適性指標(biāo)要求一階模態(tài)與聲腔模態(tài)頻率解耦。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍. 汽車車身噪聲與振動(dòng)控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.1，156-159.

[2]劉東明，方健，趙敬義等.車身板件對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011，4：48-51.

[3]余雄鷹，閔福江，文偉，等. 輪胎/路面噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞路徑分析.汽車工程，2013；35（11）：1030—1034.

[4]吳仕斌. 基于有限元汽車支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D].吉林：吉林大學(xué)，2005.

[5]劉顯臣. 汽車NVH綜合技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014．