某SUV车内加速轰鸣声问题分析与研究

[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