客车异常振动噪声的分析和控制

尹可，宋向荣

（1.江苏大学理学院力学与工程科学系，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003）

振动噪声水平是衡量汽车性能的重要方面，也是消费者在挑选和乘坐汽车时的首要感受。因此，振动和噪声控制作为汽车设计制造一个重要方面，受到了各汽车厂商的重视[1]。

汽车的整车振动和噪声控制涉及动力系统、传动及转向系统、悬架系统、底盘系统，是个综合问题[2]。传统的汽车振动和噪声分析手段主要有模态分析和频谱分析[3]，对整车这样的复杂系统而言显得手段单一。传递路径分析是一种有效的降振减噪方法[4]，但模型建立困难且工作量大。本试验基于振动频率的时间跟踪，对客车的振动噪声源进行识别，减少了工作量，并且达到预期目标。测试和分析中常用三维图或彩图表示，一个坐标表示频率，一个坐标表示时间，曲线高低或颜色表示振动大小。

国产某轻型客车样车在以90 km/h运行过程中，车厢地板出现剧烈振动并伴随共鸣噪声，严重影响了车身的NVH性能。本文为解决这个问题，进行路测试验，发现传动轴的1阶和2阶频率与车内振动和噪声有关联。

1 测试设备和道路测试方案

1.1 测试设备

测试设备采用LMS SCADAS III数采前端和配套软件。加速度测点共6个，分别位于：驾驶员座椅支座，1、3、5排中间乘客座椅与地板相连处的地板上，发动机吊耳，传动轴支架。麦克风三个，分别位于：驾驶员左耳旁和乘客座椅3、5排中间处（1.7 m高度）。

图1 传感器和麦克风布置图Fig.1 Layout of sensors and mocrophones

1.2 试验方案

为重现车辆振动噪声状况，对车辆在60～120 km/h五档加速工况下进行道路试验，测试地点选在路面较平坦且来往车辆比较少的高速公路上进行，以减少外界对测试信号的干扰。

多次进行加速工况测试，同时记录各测点的振动和噪声数据，分析它们的特征和内在联系，以便把握异常振动和噪声产生的根源。

固定采样数据采用LMS Test.lab的Signature Acquisition模块，振动信号采样频率1 024 Hz，分辨频率512 Hz，谱线数5120，频率分辨率0.1 Hz；声压信号采样频率20 480 Hz，分析频率10 240 Hz，谱线数10 240，频率分辨率1 Hz。

采用时间跟踪技术可以很方便的看出信号与时间是否有联系，不同时间下跟踪采样后的信号以三维图谱形式或彩图形式表示。如需分析某频率或某时间下频谱特性可采用频率切片或时间切片分析。

2 振源识别及改进措施

2.1 时间跟踪频谱分析

以下及后文的瀑布图和通频振级（Ooverall level）图都是在90～120 km/h的五档加速工况下测得的数据。

图2,3,4,5中的横坐标表示振动或声压的频率，纵坐标表示跟踪时间上的加速历程，彩色云图颜色的深浅表示振动或声压值的大小。从上面看以看出车内振动和声压频谱的分布特征具有基本相同的规律。

根据车速和传动轴转速以及轮胎转速之间的关系可以推算出：当车辆行驶在90 km/h到100 km/h，传动轴的1阶和2阶转动频率分别在50～60 Hz和100～120 Hz附近。

从图2和图3中可以看出，第五排座位测点振动和噪声的主要频率集中在60 Hz和120 Hz处。所以，传动轴的1阶和2阶振动对各点噪声和振动的贡献突出。

图2 第5排地板振动频谱云图Fig 2 Vibration spectrum cloud of the Fifth row

图3 第5排噪声频谱云图Fig 3 Noise spectrum cloud of the Fifth row

图4 驾驶员座椅支架振动频谱云图Fig 4 Vibration spectrum cloud of the driver seat bracket

图5 驾驶员左耳噪声频谱云图Fig 5 Noise spectrum cloud of the driver’s left ear

从图4和图5可以看出，驾驶员座位处主要的振动噪声与第五排座位振动噪声基本相同，也在60 Hz和120 Hz左右。当车速接近120 km/h时，驾驶员座椅处会产生26 Hz的振动。通过计算可知，轮胎的二阶转动频率在26 Hz左右，这一振动主要是由车轮激励产生。

此外，车辆在60～120 km/h加速过程中，发动机的2阶惯性力在55～110 Hz左右，从上面也可以看出发动机的2阶惯力对车内噪声亦有一定的贡献。

2.2 改进方案及试验结果

传动轴转动频率的1阶和2阶激励是引起车内地板异常振动和车内共鸣噪声的主要激励源，对此在传动轴中部加支架，并在支架顶端加橡胶垫。发动机的2阶惯性力对驾驶员处噪声有贡献，对此更换后悬置为进口后悬置。

对样车进行改进后，重复进行五档加速工况下的道路试验，得到的频谱图如下面所示。

从6,7,8,9四幅图可以看出，车内的振动和噪声有较大程度的降低。

为了更清楚的显示振动噪声改进情况，对采集到的振动噪声数据通过计算处理得到Overall level(通频振级)，并对改进前后值作出对比。

图6 改进后第五排地板振动频谱云图Fig 6 Vibration spectrum cloud of the Fifth row after improvement

图7 改进后第五排噪声频谱云图Fig.7 Noise spectrum cloud of the Fifth row after improvement

图8 改进后驾驶员座椅支架振动频谱云图Fig 8 Vibration spectrum cloud of the driver seat bracket after improvement

图9 改进后驾驶员左耳噪声频谱云图Fig 9 Noise spectrum cloud of the driver’s left ear after improvement

图10到图13的实线是原样车各点振动噪声Overall level曲线，虚线是改进后的振动噪声Overall level曲线。Overall level曲线反映了振动整体能量变化，是谱的均方根值[5]。某时刻的Overall值由下式得到

其中k为频带内的谱线数，Ai为某时刻下幅值。

上面四幅图给出了第五排座位和驾驶员座位处改进前后Z向振动水平的Overall对比曲线，横坐标为时间，纵坐标为振动通频值Overall level，实线为方案前的情况，虚线为方案后的情况，该图表明按制定方案进行改进后，车速90～120 km/h左右车身振动噪声明显改善，与从前面改进后的频谱图得出的结论相同。

图10 改进前后第五排座位振动Overall对比Fig10 Comparison of the overall of the fifth row vibration

图11 改进前后第五排噪声Overall对比Fig11 Comparison of the overall of the fifth row noise

图12 改进前后驾驶员座位振动Overall对比Fig12 Comparison of the overall of the driver seat vibration

图13 改进前后驾驶员座位噪声Overall对比Fig13 Comparison of the overall of the driver seat noise

3 结语

本项目所有试验均采用LMS振动噪声测试与分析系统来完成。通过实车道路试验，分析了引起车辆在以90 km/h左右的速度行驶时，车厢地板产生异常振动和车内出现共鸣噪声的主要振源和产生的原因。通过测试车内关键点的振动和噪声频谱特征，分析了各种状况下引起共振的主要频率和阶次。测试工况是高速公路上行驶时的加速工况。

(1)当汽车在90～120 km/h的速度行驶时，传动轴的1阶和2阶频率对各点的振动和噪声贡献最大；

(2)通过加强支架、增加或调整支撑点位置可改变传动轴系的固有频率，对由传动轴引起的振动，收到良好的效果；

(3)现有的对传动轴的隔振方案，大幅度的降低了整体振动噪声水平。但在驾驶员处噪声水平的减弱不明朗，这主要是因为在驾驶员处的噪声很大程度上是发动机产生的。

针对驾驶员处噪声，可以优化悬置件的固有频率，整车内的共鸣噪声可采取在车厢内部布置吸声材料来进行降噪处理。

[1]庞剑,等.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.7-10.

[2]陈南,等.汽车振动与噪声控制[M].北京：人民交通出版社，2005.208-209.

[3]Makoto Ishida,etc.Effect of mode-rating friction of wheel/rail interf-ace on vehicle/tr-ack dynamic behavior[J].Wear:2008(9-10):1497-1503.

[4]张立军,等.制动力矩波动引起方向盘抖动的传递途径试验研究[J].振动与冲击，2006(2)：70-74.

[5]LMS Test Lab Manuals[M].Belgium LMS Company,2005.