道路模擬環(huán)境中汽車零部件振動異響評價方法的研究

黃薛青，任中元，張仲強

（上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203）

汽車的NVH 特性是指噪聲（Noise）、 振動（Vibration）和聲振粗糙度（Harshness），是影響乘員舒適性的主要方面。隨著乘客和駕駛員對駕駛舒適性的要求不斷提高，汽車的NVH 水平越來越受顧客的關(guān)注。汽車在行駛過程中發(fā)出類似“咯吱咯吱”的非正常響聲成了車主向整車廠商投訴的主要問題之一。通常情況下，汽車零部件的異響主要來源于兩方面：（1）在正常行駛的頻率范圍內(nèi)發(fā)生共振；（2）存在連接松動等缺陷。無論是發(fā)生共振還是存在缺陷，都會顯著縮短汽車零部件的使用壽命，降低產(chǎn)品的可靠性，甚至可能造成關(guān)鍵零部件和電子元器件的失效失靈，從而威脅行車安全。此外，某些異響頻率對人體非常敏感，會讓人汗毛孔豎起，十分令人厭煩，造成精神不集中，容易引發(fā)交通事故。汽車零部件的異響試驗主要通過現(xiàn)場試驗場道路試驗和實驗室內(nèi)道路模擬環(huán)境試驗兩種方式進行。而現(xiàn)場試驗場道路試驗存在周期長、費用高、復(fù)現(xiàn)性差等因素，使得實驗室內(nèi)道路模擬環(huán)境試驗成為汽車零部件振動異響的主要評價方法。

1 實驗室汽車零部件振動異響試驗系統(tǒng)的建立

在實驗室內(nèi)對汽車零部件進行振動異響評價試驗是機械振動環(huán)境試驗和聲學(xué)環(huán)境領(lǐng)域結(jié)合的新型交叉領(lǐng)域檢測項目。異響試驗又稱BSR 試驗，即Buzz（振動聲）、Squeak（摩擦聲）和Rattle（敲擊聲）的縮寫，代表了三類最常見的車內(nèi)噪聲。該試驗系統(tǒng)的建設(shè)，對實驗室場地和周邊環(huán)境有一定特殊要求。

1.1 汽車零部件振動異響實驗室的建設(shè)要求

該試驗主要是由振動試驗和聲學(xué)評價兩部分組成，為此需要規(guī)劃一片較為安靜的場地，放置儀器設(shè)備，同時必須考慮振動裝置的地基隔震等要求。根據(jù)通常異響試驗要求，“安靜的場地”通常考慮為靜音房或半消聲室。對于汽車零部件異響試驗來說，實驗室內(nèi)的背景噪聲需低于35dB(A)，場地內(nèi)尺寸一般不小于7m×7m。場地中間區(qū)域為安置臺架，需在建設(shè)中進行額外的隔震處理，通常自下而上分別為：混凝土底板、100mm 厚減震墊、10mm 鋼板、200mm 厚混凝土、玻化磚地面或環(huán)氧地坪。另外，還需在汽車零部件振動異響試驗場地外，劃至少15m2的區(qū)域作為系統(tǒng)控制室。

整個測試系統(tǒng)能夠確保在運行時其本身和所處環(huán)境的足夠安靜，即系統(tǒng)的本底噪聲不掩蓋樣品產(chǎn)生的異響，因此能夠有效識別出異響。該系統(tǒng)的振動臺部分位于隔絕外界噪聲的靜音房內(nèi)，其本身在運行時也極為安靜，在典型測試工況下的本底噪聲不超過32 ～34dBA或1.5Sones-N10。

1.2 汽車零部件振動異響試驗系統(tǒng)的組成

該試驗系統(tǒng)主要由振動部分和聲學(xué)部分兩部分組成。振動部分一般由激振器、臺架、功率放大器、風機（冷卻系統(tǒng)）、控制器等組成。聲學(xué)部分主要由自由場麥克風、前置放大器、聲學(xué)測量分析系統(tǒng)等組成。

傳統(tǒng)的電動振動臺或者液壓臺在試驗中自身會產(chǎn)生較大噪聲，試驗過程中將無法分辨是設(shè)備本身產(chǎn)生的背景噪音還是零部件產(chǎn)生的異響。因此，該振動系統(tǒng)一般使用永磁式激振器作為激勵源。激振器能使被激物件獲得一定形式和大小的振動量，而永磁式激振器相比一般激勵源更安靜。

考慮到一般產(chǎn)生異響的汽車零部件主要為座椅、車門、天窗等大型樣件，臺架的尺寸應(yīng)足夠覆蓋大部分樣件，一般情況下，臺面擴展尺寸應(yīng)達到1.9m×1.0m，最大負載要超過300kg。

該系統(tǒng)振動部分的功率放大器、風機（冷卻系統(tǒng)）、控制器和聲學(xué)部分的聲學(xué)測量分析系統(tǒng)等設(shè)備一般放置在控制室內(nèi)。

2 汽車零部件振動異響評價的一般要求

目前，汽車零部件振動異響測試沒有統(tǒng)一的國家標準，主要有通用和福特兩大車企提出了兩種試驗方法。適用通用系列標準方法，又稱4D 模式，在該模式下，需要實現(xiàn)四個自由度的獨立振動，并通過改變激振桿和簧片結(jié)構(gòu)的連接方式來實現(xiàn)這四個自由度的切換：Longitudinal（X 軸）、Lateral（Y 軸）、Vertical（Z 軸）、Roll（繞X 軸左右搖擺）。適用通用系列標準方法，又稱VPR 模式，主要通過MIMO 控制在一次測試中實現(xiàn)五個自由度的同時激振，更加貼近真實情境：Vertical（Z 軸）、Pitch（繞Y 軸前后俯仰）、Roll（繞X 軸左右搖擺）、Longitudinal（X 軸）、Lateral（Y軸）。

2.1 振動激勵

異響測試的振動激勵通常是隨機振動，而正弦振動一般只用于噪聲分析，即通過隨機譜暴露噪聲，然后用任意量級的掃頻進行分析，所以多數(shù)標準對于掃頻沒有異響要求。隨機振動分為以通用系列標準為主的X、Y、Z 三軸隨機振動和以福特系列標準為主的VPR 隨機振動，振動量級一般不超過0.5。VPR 隨機振動譜重在模擬真實的路況激勵，例如，標準Ford CETP 01.10-L-302:2006 和Ford CETP 01.10-L-413:2010 中提供了Belgian Blocks @25mph、Cobblestones @5mph、Tar Patches @40mph、Harshness Rd @45mph、Rough Brick@25mph 等多種路況的路譜。

2.2 聲學(xué)測量

異響測試中的聲學(xué)測量通常有兩類指標，即A 計權(quán)聲壓級和N10 響度，前者單位為dBA，后者單位為sone。不同的標準對頻率范圍、時間常數(shù)、測量時間等參數(shù)設(shè)置的要求不盡相同，而單有主觀評價的標準甚至不要求聲學(xué)測量。例如，標準Ford CETP 01.10-L-302:2006 要求測量20Hz ～16kHz 范圍下的A 計權(quán)聲級；標準GMW14011-2008 要求測量Zwicker 時變N10 響度。

2.3 環(huán)境要求

異響測試標準通常都會對背景噪聲水平有要求。具體來說，一般要求在正式試驗前先用標準音源校準麥克風系統(tǒng)，然后將樣品夾具固定于振動臺面上，將麥克風放置于臺面中心正上方特定距離，最后采用標準中的振動激勵使測試系統(tǒng)帶夾具運行，要求此時測量到的聲學(xué)指標不超過特定值。例如，標準Ford CETP 01.10-L-413:2010 要求在帶夾具運行情況下在距臺面中心25cm處背景噪聲的N10 響度在1min 內(nèi)不超過2.0 sones；標準Ford CETP 01.10-L-302:2006 要求在帶夾具運行情況下距臺面中心25cm 處背景噪聲的A 計權(quán)聲級不超過60dBA。而標準Ford CETP 01.12-L-423:2011 只有主觀評價，其要求則為帶夾具運行時的背景噪聲不超過“正常”聽力水平。

2.4 異響評價

異響的評價方法分為客觀評價和主觀評價兩大類。

客觀評價方法是根據(jù)測得的聲學(xué)指標是否超出規(guī)定的閾值來判斷異響是否超出標準。例如，標準Ford CETP 01.10-L-413:2010 要求振動激勵時距離樣品表面25cm 處的300Hz 高通濾波時變N10 響度在1min 內(nèi)不超過3sones。

主觀評價是通過專業(yè)人員依靠聽覺的主觀感受來判斷異響是否超標，通常采取多人評估，并取最差結(jié)果或多數(shù)結(jié)果。例如，標準Ford CETP 01.12-L-423:2011提供了噪聲評估指南和噪聲類型說明作為主觀評價的依據(jù)，標準CVTC 34025-2019 則提供了“門飾板總成振動噪聲等級評價規(guī)則”（如表1 所示）。

表1 CVTC 34025-2019 門飾板總成振動噪聲等級評價規(guī)則

3 汽車零部件振動異響試驗步驟

雖然不同標準在聲學(xué)測量、環(huán)境要求、振動激勵和異響評價等方面的試驗要求不盡相同，但大致的試驗步驟可總結(jié)如下。

（1）系統(tǒng)開機，在聲學(xué)測量軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使用聲校準器校準麥克風系統(tǒng)。

（2）根據(jù)振動激勵方式，通過彈簧片、傳力桿和Y型架等將異響臺面安裝為相應(yīng)的4D 或VPR 模式，并調(diào)試臺面至居中狀態(tài)。

（3）在振動控制軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)，運行試驗路譜，調(diào)試臺面直至不存在干擾試驗的異響。

（4）安裝樣品夾具，重新調(diào)試臺面至居中狀態(tài)，按照標準要求測量背景噪聲并記錄。如背景噪聲超標，需繼續(xù)調(diào)整臺面和夾具至符合要求后，方可繼續(xù)試驗。

（5）安裝樣品，重新調(diào)整臺面至居中狀態(tài)，按照標準要求的振動激勵和聲學(xué)測量方法來測量異響指標，進行主觀或客觀評價并記錄。每次樣品安裝都需要進行一次試驗預(yù)演，以排除安裝不緊固導(dǎo)致的異響。聲學(xué)測量時靜音室原則上不留人。

（6）樣品的異響評價結(jié)束后，清零功放增益，收好麥克風及其支架，拆卸樣品和夾具。

（7）拆卸異響臺的傳力桿、彈簧片和Y 型架等組件，將異響臺還原為初始狀態(tài)，關(guān)閉測試系統(tǒng)軟件和電源。

4 汽車零部件振動異響評價試驗案例

4.1 試驗設(shè)置

試驗對象：三組車門，組號按試驗次序編為1、2、3，每組兩個車門，共計6 個車門，編號分別為：1-左前，1-右前，2-左后，2-右后，3-左前，3-左后。

其中，只對1-左前、2-右后、3-左前進行異響測試，共計3 個測試樣品。

參考標準：CVTC 34025-2019 前后門內(nèi)飾板的技術(shù)規(guī)范。

判定依據(jù)：試驗過程中A 計權(quán)聲壓級不超過50dBA。

試驗內(nèi)容：Z 方向隨機振動，路譜如表2。

表2 試驗路譜

噪聲指標（帶通濾波300 ～20000Hz）：A 計權(quán)聲壓級（單位：dBA），N10 穩(wěn)態(tài)響度（單位：Sone）。

4.2 試驗過程

背景噪聲：空載運行路譜，測得背景噪聲26.851dBA，0.740Sone（滿足不超過35dBA 和1.5Sone）。

試驗數(shù)據(jù)：

第一組（1-左前、1-右前）：只測1-左前噪聲：50.354dBA，5.940Sone。

圖1 振動曲線圖譜

第二組（2-左后、2-右后）：只測2-右后噪聲：53.429dBA，8.300Sone。

第三組（3-左前、3-左后）：只測3-左前噪聲：49.817dBA，6.500Sone。

試驗結(jié)論：不通過。

試驗結(jié)果分析：通過試驗表明，第一組和第二組車門異響試驗采集到的噪音超過了限值。第三組車門異響接近限值，右后側(cè)車門的噪音較大，需進一步做結(jié)構(gòu)優(yōu)化或減震處理。

5 結(jié)語

道路模擬環(huán)境中汽車零部件振動異響評價試驗雖然是一種新型試驗，但具有試驗周期短，費用低，復(fù)現(xiàn)性好等優(yōu)勢。通過振動異響評價試驗，可以讓汽車零部件在實驗室內(nèi)模擬出相對真實的行車環(huán)境，在短時間內(nèi)暴露出因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷造成的異響，從而提升零部件產(chǎn)品的可靠性和壽命，減少整車量產(chǎn)后車主對車輛異響的投訴率。

圖2 背景噪聲