某SUV车型NVH性能分析及优化

摘要：对某 suv 车型动力总成悬置系统及相关部件进行优化，以改善该车型 NVH 性能。对汽车二档节气门全开工 况进行摸底测试，分析存在问题；针对存在问题进行悬置系统及相关部件的模态分析试验，并对部件振动与车内噪声的相关性进行力声传函分析，以找到共振部件；对悬置结构进行优化，挖掘悬置隔振潜力；对悬置车身接附点进行原点动刚度分析，分析接附点动刚度对振动的影响。通过以上分析，对所发现的共振部件加装动态吸振器，以消除共振带，改进悬置结构以优化悬置隔振率，增强车身接附点动刚度，降低车身接附点振动。通过对比试验数据得出结论，以上优化方案使得汽车二档加速噪声得到降低，声品质得到改善。

关键词：NVH；动力总成；悬置；动态吸振器；原点动刚度

中图分类号：U467 文献标识码：A

NVH Performance Analysis and Optimization of a SUV Car

WANG Heng1, ZHANG Bo-han2
(1. Chongqing Jinkang SERES New Energy Vehicle Design Institute Co., Ltd., Chongqing 401135, China) （2. School of Automotive Engineering ,Chongqing University, Chongqing 400044, China）

Abstract: Optimized for the vehicle powertrain mounting system and related components, in order to improve the NVH performance of the SUV vehicle. In the second gear wide open throttle conditions to test the vehicle and analyzed the existed problems; In view of the problems exist in the test, the modal analysis test of the mounting system and related components was carried out, and the relationship between component vibration and vehicle noise was analyzed by noise transfer function analyzed to find the resonant part; The mounting structure was optimized and the potential of mounting vibration isolation was developed; The input point interaction of the attachment point of the mounting on vehicle body was carried out to analyzed the influence of the dynamic stiffness of the attachment point on the vibration. After the above analysis, through the installation of dynamic vibration absorbers in resonance components, resonance has been eliminated, improved mounting structure to optimize the mount isolation rate, enhanced the vehicle body dynamic stiffness, reduced the body vibration. Compared the experimental data to the conclusion, the above optimization program makes the second gear wide open throttle acceleration noise was reduced, the sound quality was improved.

Key Word: NVH; powertrain; mounting system; dynamic vibration absorber; input point interaction

随着我国汽车市场的发展，消费者对汽车的评价标 准已从外观、内饰等大的方面转向 NVH 等能突显汽车 卓越品质的细节问题，车企对旗下产品 NVH 性能也愈 发重视，NVH 开发已经成为汽车研发过程中的重要一 环。其中，动力总成作为汽车的主要振动源与噪声源， 其悬置系统的好坏直接影响到整车的振动与噪声 [1]，可 以通过改善激励振动状况（降幅或移频）或控制激励源 振动噪声向车内的传递来提高乘坐舒适性[2]。

本文的研究对象为国内某企业推出的 7 座型 SUV， 对其动力总成悬置系统的振动与噪声性能进行分析与优化。在悬置系统车身侧及发动机侧安装三向智能加速度传感器，在车内驾驶员右耳处安装传声器，用 LMS SCANDS 数采前端对车辆进行信号采集测试，对汽车部件进行模态、力声传函（NTF，Noise Transfer Function）、原点动刚度（IPI，Input Point Interaction）分析，通过相关性分析找出影响车辆 NVH 性能的部件及结构，提出切实可行的改进方案，并对方案效果进行验证。

1 NVH 性能分析

1.1 整车分析

对目标优化车型进行摸底测试，测试工况为二档节气门全开（WOT，Wide Open Throttle） ，测得数据如图 1 所示。结果显示驾驶员右耳噪声存在多处峰值，其中1524r/min、1960r/min、2341r/min、3242r/min 处峰值较明显，严重影响车内 NVH 性能。对比阶次图可知，1524r/min 处噪声峰值主要由发动机二阶次噪声贡献，1960r/min 处噪声峰值主要由发动机四阶次噪声贡献，2341r/min 处噪声峰值主要由发动机二阶次噪声贡献，3242r/min 处峰值主要由发动机二阶次、四阶次噪声共同贡献；由图 2 所示的 Colormap 图可以看出，噪声主要由 2 阶次贡献，并在 211Hz、370Hz 附近存在共振带。


图 1 二档 WOT 工况下车内噪声


图 2 二档 WOT 工况下车内噪声 Colormap 图

1.2 模态分析

模态分析可分为有限元模态分析及试验模态分析。有限元模态分析是将待测的结构模型离散为有限个形状简单的网格单元，对其进行单元分析后再整合结果；试验模态分析是指对结构上某点进行激励，测得响应后得到其频率响应特性，根据激励不同又可分为脉冲激励、阶跃激励、快速正弦扫描。LMS Test.Lab 提供了锤击法测模态的方法，具有简便易行的特点，因此在工程应用中对于零部件的模态分析多采用锤击法测模态，即激励形式为脉冲激励的试验模态分析。

表 1 模态分析数据




针对摸底试验中出现的共振带，需要分析动力总成及其相关部件的模态，对副车架、左悬置、右悬置、后悬置拉杆、后悬置主动端、右悬置主动端支架、左悬置主动端支架进行模态分析。利用 LMS Test.Lab 中提供的Impact Testing 及 Modal Analysis 功能对部件进行建模及模态分析。根据 Colormap 图分析结果，需要关注 370Hz 及 212Hz 频率附近的模态。

模态分析的结果如表 1 所示，可知在右悬置主动端支架及右悬置存在 370Hz 左右的模态，副车架及后悬置拉杆存在 211Hz 左右的模态。

1.3 力声传函分析

NTF 是指输入激励载荷与输出噪声之间的对应函数关系，用于评价结构对振动发声的灵敏度特性[3]，是一种简化的传递路径分析方法，而传递路径分析方法是振动源对噪声贡献量识别简便而有效的方法[4,5]。在激励点粘贴 PCB 三轴加速度传感器以测量输入激励，在车内驾驶员右耳处安装麦克风以测量噪声响应[6]。

由模态分析可知，在右悬置主动端支架及右悬置存在 370Hz 左右的模态，副车架及后悬置拉杆存在 211Hz左右的模态，因此需要对右悬置主动端支架、右悬置、副车架、后悬置拉杆进行 NTF 分析，由结果图 3 可知，在右悬置主动端支架、副车架上的激励分别在 378Hz 与 212Hz 处对车内噪声有贡献，因此确定车内 370Hz 左右共振带由右悬置主动端支架共振引起，212Hz 左右共振带由副车架共振引起。


图 3 力声传函（NTF）分析

1.4 原点动刚度分析

原点动刚度是指激励力作用的点和响应点是同一点，测得的刚度即称为原点动刚度。在输入激励力一定时，原点动刚度越大，连接点的位移响应就越小，同理，加速度阻抗越大，加速度响应越小。式（6）表示的是原点导纳，其倒数即为原点动刚度[7]。

             （6）

式中， 为各阶模态； 为模态刚度矩阵； 为模态坐标下的模态质量矩阵； 为模态阻尼矩阵。

IPI 是指系统加速度导纳，是表示加速度响应与输入激励力的传递函数，是加速度阻抗的倒数，一般来说，人们习惯将 IPI 称为原点动刚度。IPI 由公式（7）表示。

              （7）

式中，x为系统的位移；F为系统的激励力； 为系统加速度响应； 为动刚度。

与悬置系统相关的车身结构为悬置在车身的接附点，悬置接附点的动刚度对车内噪声有较大影响，因此对悬置车身接附点进行原点动刚度测试。

目标动刚度参考值上下限设为 3000N/mm 及 10000N/mm。参考标准曲线绘制公式如下：

                  （8）

用 LMS test.Lab 对右悬置车身侧三个安装点进行 IPI 测试，得到如图 4 所示的结果。


（a）右悬置纵梁前安装点 IPI


（b）右悬置纵梁后安装点 IPI


（c）右悬置轮毂包安装点 IPI
图 4 右悬置车身侧安装点 IPI 测试

分析图 4 所示结果可知，右悬置三个安装点在 Y方向不能满足设计要求，其中右悬置纵梁前安装点 Y 向动刚度在 80Hz、125Hz 频率附近高于目标动刚度上限，右悬置纵梁后安装点 Y 向动刚度在 80Hz、140Hz 频附近高于目标动刚度上限，右悬置轮毂包安装点 Y 向动刚度在 80Hz、170Hz 频率附近高于目标动刚度上限，当外界激励在此频率附近时，更容易引起共振，影响声品质。

2 NVH 性能优化

2.1 动力吸振器的应用


图 5 二自由度振动系统

动力吸振器原理如图 5 所示，其中分别为主振系统的质量、弹簧刚度和阻尼系数，分别为吸振器的质量、弹簧刚度和阻尼系数， 为作用于主振系统的激励力，该系统的运动微分方程为[8]：




可以得到主振系统的振动响应为：

                        （3）

式中：



由式（3）可以看出，若 ，即吸振器频率与激励频率相同，则主振系统的振动响应将大幅度衰减。这为动力吸振器的应用提供了理论依据。


（a）副车架 4 阶 232.5Hz 模态振型


（b）右悬置主动端支架 1 阶 376.7Hz 模态振型
图 6 副车架与右悬置主动端支架模态振型

由前面所做的模态分析及 NTF 分析可知，副车架及右悬置主动端支架存在共振，因此需要对这两个部件进行加装动态吸振器。分析如图 6 所示副车架模态振型可知，副车架的振型为副车架中间点沿 Z 轴上下振动，并且振幅较大，根据模态分析原理，吸振器安装点选取振幅最大处[9]，因此选择副车架中间点为动力吸振器安装点。分析右悬置主动端支架模态振型可知，主动端支架具有绕 X 轴的上下摆动，因此选择右悬置主动端支架上表面为动力吸振器安装点。考虑安装空间尺寸及零件干涉等问题，设计右悬置主动端支架吸振器及副车架吸振器如图 7 所示。


图 7 动力吸振器安装示意


（a）车内噪声对比


（b）声品质对比
图 8 加装动力吸振器后效果对比

分析试验结果图 8 可知时，副车架加装 212Hz 动力吸振器时，在发动机转速 2751r/min~3984r/min 之间声压级明显降低，可降低 1.2dB，根据副车架加装 212Hz 动力吸振器及右悬置主动端支架加装 378Hz 动力吸振器方案结果与原状态进行对比可以看出，在发动机转速1959r/min 之后声压级明显降低。由 Colormap 图可知，加装动力吸振器后，212Hz 附近及 378Hz 附近共振带明显消失。

2.2 悬置及接附点优化

表示悬置隔振情况可以采用振动传递率表示，公式表示如下[10]：

                     （4）

式中，T为悬置振动传递率； 为被动端的力； 为主动端的力； 为频率比， ，f为激励频率， 为系统固有频率； 为阻尼比。

悬置的振动传递率越小，说明系统隔振效果越好，降低振动传递率的方法为选取适当的悬置橡胶刚度、阻尼，及改善悬置结构。

在实际应用过程中，经常用隔振率表示，隔振率是指主动端与被动端振动加速度级，与隔振传递率不同，隔振率越大，说明悬置隔振情况越好：

                     （5）

式中， 为主动端的振动加速度； 为被动端的振动加速度。

该车采用三点悬置布置，分别为左悬置、右悬置及后悬置总成。分别在悬置主动端被动端安装 PCB 三轴加速度传感器，经测试，右悬置 X、Y、Z 向隔振率都能达到 20dB 以上，但仍可以进行优化，如发动机的主要振动方向为 Z 方向及 Y 方向[11]，因此可增大 Y 方向的自由度达到更好的隔振效果。


图 9 右悬置原状态与右悬置增加 Y 向自由度


                           （b）隔振率对比
图 10 优化右悬置效果对比

分析图 10 所示的结果，优化后的右悬置方案在转速 3600r/min 附近可降低车内噪声声压级 3dB，X 方向隔振率有所下降，但 Y 方向及 Z 方向隔振率得到优化，尤其是在高转速 3600r/min 之后，隔振率优化效果明显，隔振率优化效果与车内噪声降低情况相符。

分析图 4 所示的 IPI 测试结果可知，悬置接附点动刚度不能满足设计需求，因此对右悬置安装点进行结构上的加强，改进后进行测试，得到图 11 所示的结果，经过右悬置车身安装点加强，右悬置车身侧振动量得到了降低。



（c）优化前后悬置接附点 Z 向振动对比
图 11 车身加强后悬置车身侧接附点振动

2.3 整车 NVH 优化效果


图 12 优化前后 NVH 性能对比

确定的优化方案为右悬置主动端支架加装 378Hz动力吸振器，副车架加装 212Hz 动力吸振器，优化右悬置及右悬置车身侧接附点加强。经测试得到图 13 所示结果，分析可知，所确定方案对车内噪声有明显改善，声压级平均降低 3dB 以上，最高可降低 5.1dB，发动机二阶次与四阶次噪声明显得到改善，378Hz、212Hz 左右频率共振带明显消失，声品质改善效果明显。

3 结论

动力总成作为汽车主要的振动源与噪声源，其悬置系统对车辆 NVH 性能影响显著且复杂，悬置系统的调校对车辆 NVH 性能改善非常重要。在分析悬置本身的同时还要运用模态分析、原点动刚度分析、力声传函分析等多种方法对其相关部件进行分析，通过消除共振带、改善悬置隔振率、优化车身动刚度等方法对悬置系统进行了优化，在这些工作的基础上才能更充分发挥悬置系统的隔振功能，通过对悬置系统的优化，使得该车型 NVH 性能得到明显改善。

参考文献：
[1] 刘晓昂, 吕兆平, 殷智宏,等. 基于车内 NVH 控制的悬置刚 度与阻尼的设计方法[J]. 振动、测试与诊断, 2016(1):145-151.
[2] 林逸, 马天飞, 姚为民,等. 汽车 NVH 特性研究综述[J]. 汽车 工程, 2002, 24(3):177-181.
[3] 卢小锐, 马俊达, 王晖,等. 某车用动力总成激励对驾驶室内 振动噪声影响的分析及优化[J]. 汽车实用技术, 2016(2):5-7.
[4] Rong G. Study on Transfer Path Analysis Method of Automobile Interior Noise[J]. Journal of Vibration Measurement & Diagnosis, 2007.
[5] Wu W, Wang W, Gu C. An Experimental Research on Powertrain Mounting System Vibration Transfer Characteristics of Light Truck[J]. Automobile Technology, 2008.
[6] Shangguan W B, Liu X A, Lv Z P, et al. Design method of automotive powertrain mounting system based on vibration and noise limitations of vehicle level[J]. Mechanical Systems & Signal Processing, 2016, s 76–77:677-695.
[7] 王宇, 潘鹏, 辛丕海. 动刚度分析在车身 NVH 性能方面的研 究与应用[J]. 农业装备与车辆工程, 2016, 54(4):34-38.
[8] 王小龙, 陆静, 年猛. 吸振器在汽车振动噪声控制中的应用 和实验测试研究[J]. 科学技术与工程, 2015, 15(8):233-237.
[9] 程魁玉, 李洪亮, 顾灿松,等. 动力减振器在某车型降噪中的 应用[J]. 汽车技术, 2009(12).
[10] 孔劲松, 李国荣. 乘用车动力系统 NVH 调校试验分析方法 应用研究[J]. 汽车技术, 2007(7):10-13. [11] Lu X, Ma J, Wang H, et al. Analysis and Optimization of Vehicle Vibration and Noise Caused by Powertrain Excitation[J]. Automobile Applied Technology, 2016.

收稿日期：
基金项目：重庆市科委基础与前沿研究计划项目 （cstc2018jcyjAX0109）
作者简介：王恒（1992— ），男，湖北荆门人，硕士，工程师， 研究方向为汽车 NVH 开发与控制。