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某SUV车内加速轰鸣声问题分析与研究

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[摘要] 某SUV车型在加速过程中存在2600r/min  2阶加速轰鸣声,严重影响主观体验,经过试验手段确定该轰鸣声与右悬置Y向振动强相关,利用模态CAE分析和模态试验测试,查找出右纵梁Y向摆动模态87Hz对应问题转速2阶频率,在仿真模型中快速制定4种方案并进行验证,结果显示方案4(右纵梁安装动力吸振器)效果最佳,经过实验验证,车内2600r/min轰鸣声消失,右悬置被动侧Y向振动明显降低,有效解决此系列车型加速轰鸣声问题。
关键词:加速轰鸣声;车身结构模态;动力吸振器
随着汽车工业快速发展,汽车的NVH(Noise,Vibration,Harshness)性能已成为汽车品质评价的一项重要指标,更代表着汽车的品牌或品味的内涵元素。振动与噪声不仅影响汽车的乘坐舒适性,甚至会影响到汽车的使用寿命,因此,提升汽车的噪声与振动成为了各大汽车厂商竞争的专项,汽车NVH的性能研究对于新车型的开发和现有车型的改善非常重要,NVH研究的主要内容包括汽车整车和零部件噪声振动目标设定、NVH  CAE仿真分析、车辆噪声振动源识别、车辆噪声振动传递路径贡献分析、模态实验和声品质评价等[1-3]。早期在路面行驶的汽车,大部分情况下动力总成噪声都是整车NVH中主要贡献,是NVH的主要控制对象,近些年来,随着动力总成技术的突发猛进,很大幅度的提升了发动机的噪声振动控制水平,使得除发动机以外的结构噪声与振动明显增大,由于车身结构振动而引起的噪声辐射频率主要集中在0-200Hz低频段,给人主观感觉体现为“轰鸣声”,也就是常说的“Booming”,会使得司机和乘客人员感觉到强烈的不适[4]。现有某SUV车型开发,该车在3档全油门(WOT)加速工况时,在2600rpm时出现明显的轰鸣声,严重影响主观体验,该车型如果此问题没有得到解决便投入市场,必然会引起顾客的抱怨,影响品牌形象和终端销售,本文以该车型为例,针对此加速轰鸣问题进行相关研究,并最终消除该轰鸣声。

1.问题描述

1.1实验方案
试验设备:LMS的32通道数据采集系统SCMD5用来采集试验数据;LMS Test.Lab的Signature Testing-Advanced用于在线采集数据并对数据进行分析和处理;小野onosokki 传感器IP-296用于采集实车测试中发动机曲轴转速信号;PCB三向振动传感器输出振动、GRAS麦克风输出噪声测试数据。
传感器布置位置:驾驶员右耳、后排中间处分别布置声学麦克风;驾驶员座椅导轨、方向盘、换档杆、发动机悬置主被动侧、排气吊钩主被动侧、前后悬架主被动侧等位置分别布置三向加速度传感器;
采样频率:振动信号采样频率为5120Hz,频率分辨率为1Hz,谱线数为5120Hz;声压信号采样频率为10240Hz,频率分辨率为1Hz,谱线数为10240Hz。
测试工况和实验条件:在道路实验中,采用3档全油门工况进行数据采集和分析,发动机曲轴转速追踪范围为1000r/min至5000r/min。测试地点选择在路面空旷平坦沥青道路上,环境噪声低于被测噪声10dB以上,试验载荷为半载状态,即车身自重、采集数据工程师1名、驾驶员1名。试验时,为保证数据的可靠性,需进行3次以上同工况采集,保证数据的一致性。
1.2车内噪声测试结果
驾驶员右耳声压级在车辆3G WOT(3档全油门)加速工况中,噪声声压级曲线在2600r/min附近出现峰值,与主观评价轰鸣声转速范围相接近,对驾驶员右耳Overall(总声压级)进行阶次分析,获取2、4、6阶次噪声曲线,发现2600r/min附近2阶曲线与总声压级曲线十分接近,说明在该转速段2阶噪声占据主要贡献。如图1所示。

2.问题查找与措施

2.1 噪声源辨识
由图1可看出,该车在发动机曲轴转速2600rpm2阶峰值明显,经过噪声阶次分析、振动与噪声相干性分析、路径传递分析逐步排查发动机悬置、进气系统、排气系统等各子系统对车身传递影响,其中在监控发动机与车身连接悬置点主被动侧振动时(如图2所示),发现右悬置被动侧Y向振动2600rpm2阶振动峰值明显(如图3所示),并且与车内驾驶员右耳噪声峰值有很强相关性,而右悬置主动侧Y向并无此二阶峰值(如图4所示),排除发动机本身阶次峰值直接传递影响,而很可能为车身本身结构特性,故下一步排查从车身结构特性入手。根据直列四缸四冲程发动机的固有特性,发动机曲轴转速n与发动机悬置振动以及车内噪声峰值频率f之间的关系[5]。
式中,i为振动和噪声的阶次。由上述公式可知,发动机曲轴在2600rpm附近的二阶频率为87Hz,因此车身结构重点需控制频率为87Hz。
1.2 车身结构模态分析与查找
对该SUV车型白车身进行有限元模态仿真和实验模态测试,用仿真计算指导实验,以实验验证仿真计算结果。求解系统模态问题就是求解系统的模态频率和模态振型,实际上是求解系统的特征值和特征向量的过程,也是对系统振动方程解耦的过程。对白车身进行微分方程求解,得到的特征值便是系统的模态频率,相应的特征向量就是该频率的模态振型[6]。
发动机右悬置安装在右前纵梁上,因此,分析车身结构模态应重点分析关注白车身右前纵梁模态。
2.2.1 车身CAE模态计算
建立SUV白车身CAE网格模型,白车身主要通过冲压钣金件焊接而成,利用Altair Hypermesh软件对白车身几何模型进行几何清理和网格划分,划分的网格尺寸为1010mm,建立仿真车身数模网格单元数量一共为396310个,其中三角形单元网格单元一共19419个,占总单元数4.9%,满足模型建模精度要求。同时,各Shell板件的焊接关系采用ACM单元模拟,螺栓连接采用Bolt单元模拟,对建立好的板件模型需赋予合理的厚度、材料等属性,并检查模型网格质量与设计质量是否一致,如不一致,需对车身结构进行配重处理。建立好的白车身网格模型如图5所示。
通过MSC.Nastran求解器计算白车身模态分析结果显示,发动机舱右纵梁(右悬置安装位置)存在90Hz Y向摆动模态,如图6所示。
2.2.2 车身结构模态试验
对白车身右纵梁进行模态试验测试,模态试验所用采集数据设备为LMS  Test.Lab的Impact Testing采集模块,模态试验系统主要包括激振系统、拾振系统和数据分析处理系统三个部分。
将白车身右纵梁简化成一条折线,沿着车身右纵梁均匀布置3向振动传感器,一共5个测点,图7为白车身右纵梁自由模态测试测点布置示意图。测试的过程中需监视相干函数并对频响函数的有效性进行验证[7]。所有测点的频率响应函数都需经过相干函数的验证,相干系统普遍大于0.9。试验所得车身右纵梁Y向的摆动模态为87Hz,如图8所示。
对CAE仿真模态结果和实验模态结果进行对比,两者的Y向摆动模态振型相似,频率误差在4%以内,说明仿真分析得到的模态值和相应的仿真方法可信度高,该振型对应频率与车内2600r/min轰鸣声问题频率相吻合,该阶次模态很可能被发动机振动激励激起,并对激励产生放大作用。
2.2.3 问题模态频率优化
根据模态仿真分析和实验测试结果,明确87Hz中右纵梁90Hz  Y向摆动模态为问题频率模态,以CAE仿真分析结果指导,观察模态振型和应变能分布,设计4个改善措施分别为:方案1:水箱上横梁处增加内板;方案2 前围流水槽加支架;方案3:右悬置安装板由1.4mm加厚至2.0mm;方案4:右纵梁施加Y向90Hz吸振器(2kg)。
由表1可看出,四种方案分别实施后模态变化情况,其中方案1、方案2、方案3分别针对车身右纵梁相关结构进行加强,但模态值提升有限,方案4通过在右纵梁悬置前下方加Y向90Hz吸振器,这个阶次模态消失,效果显著。

3.优化结果实验验证

根据CAE分析结果,在右纵梁(右悬置处下方)安装调制好的87Hz吸振器,重量为2kg,如图9所示。进行客观测与主观评价。客观测试的结果体现,安装吸振器后,车内驾驶员右耳2600rpm的2阶峰值降低5dB(A),降幅明显,悬置被动侧相应2阶振动峰值完全消除。如图10和图11所示。
在验证充分的基础上,组织相关人员进行试乘试驾,主观评价的结果表明:在右纵梁实施动吸振器方案后,2600rpm左右的轰鸣声消失,主观感受明显提升,乘坐舒适性也得到了显著改善。

4.总结

本文针对某SUV车内2600rpm轰鸣声,通过相关分析法查找噪声源,通过CAE分析确定该问题点产生的具体原因,
(1)本文针对某SUV新车正向开发试制样车阶段出现加速轰鸣声问题,从试验手段出发对该问题进行研究,排查出加速工况2600rpm2阶振动主要由右悬置Y向传递,主要原因为发动机激励下,经过传递路径放大,从而产生车内轰鸣声。
(2)对SUV车身进行白车身前右纵梁仿真模态和实验模态测试,结果显示在90Hz车身前右纵梁存在Y向摆动模态,从而确定传递路径放大具体原因,通过通过CAE快速方案制定与验证,为试验试制节省宝贵时间、迅速确定指导方向、降低生产成本,将仿真分析最优的方案(加吸振器)进行试验试制验证,成功消除该转速范围下的轰鸣声,达到优化目的。
(3)通过此问题研究,总结出车型NVH正向开发中车身结构共振问题引起车内噪声的解决思路。同时为后续车型车身结构模态规划积累了经验,具有指导意义。
作者:刘利1,刘国彬1,陈祝健1,夏洪兵1
作者单位:中国汽车技术研究中心1
来源:2017汽车NVH控制技术国际研讨会论文集

来源:汽车NVH云讲堂
ACTHyperMeshNastran振动汽车LMS声学焊接材料传动NVH控制试验钣金螺栓Altair
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首次发布时间:2024-04-21
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吕老师
硕士 28年汽车行业从业经验,深耕悬置...
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