整车路面噪声仿真分析*

宫唤春

（燕京理工学院）

路面噪声简称路噪，是指汽车在不平路面上行驶时，受到的冲击振动传到车厢内的噪声[1]，是评价整车NVH性能好坏的重要参数。路面的凹凸不平引发的车体振动是难以避免的，如果能够在汽车设计过程中采用CAD/CAE辅助技术计算出车厢内的噪声范围，对车身设计进行优化改进，能够有效降低噪声对乘员舒适度的影响，也能够提高汽车的研发质量。通常汽车路噪预测方法主要有2种：一种是通过建立轮胎模型[2]，在输入路面不平度的条件下进行模态分析计算路噪；另一种是将轮胎忽略不计，以输入到轴头位置的激振力[3]计算路面噪声。由于汽车行驶过程中轮胎结构变化较大且轮胎具有非线性的特性，使得难以对轮胎建立精确的模型，在轮胎建模过程中需要较多的结构和材料数据，所以文章采用第2种方法，将建模仿真和实车试验相结合，利用车辆转向系统的转向节加速度响应数据和仿真计算得出轮胎中心到测试位置的传递函数，提取轮胎离心力参数，对汽车在特定工况下的路噪进行仿真计算分析与优化。

1 整车建模与分析

1.1 仿真分析流程

文章通过将车轮离心力作为激振源进行仿真计算，在路面不平度激励下得出车厢内的噪声响应特性。以某SUV作为试验车在特定的凹凸不平的路面测取转向节处的振动信号，通过整车有限元分析模型[4]计算出车轮中心点到振动测量点位置处的力与加速度的传递函数，利用传递函数逆矩阵法[5]计算得出车轮的离心力。最后把4个车轮的离心力同时加载到整车有限元分析模型上便可以得出整车的路面噪声。图1示出整车路面噪声仿真流程。仿真方法具有如下优点：1）忽略了轮胎模型非线性的影响，仿真精确度得以提高；2）在整车路噪仿真计算和优化过程中增加悬架系统，能够为优化方法提供更多的参考；3）路噪频率分析范围扩大，不但覆盖了中低频段，也扩展到高频段。

图1 整车路面噪声仿真流程

1.2 整车仿真模型建模

利用HyperWorks软件中的NVHD模块[6]，以某SUV为例建立整车有限元模型，如图2所示，进行路噪计算分析。整车有限元模型主要由车身、内饰、转向系统、动力装置及悬架系统5个部分组成。

图2 整车有限元模型

整车有限元模型建立后，为了验证模型精度，需要进行模态计算分析，对模型准确性进行验证和调试，检查车身各连接件是否完整以及底盘系统各运动副是否正确。模态分析结果，如图3所示。模态分析结果主要体现转向系统的垂直方向、横向、操纵等模态以及动力装置的模态，了解振动集中位置。由图3模态仿真计算结果可知：动力装置发动机刚体模态比其余位置稍高，转向系统操纵模态小于4 Hz，转向部件运转正常，悬架系统模态在12～16 Hz，总体分布合理。车身各处连接紧固，底盘系统各部件运转正常，整车有限元模型能够满足有限元分析仿真的精度要求，能够完成路面噪声计算分析与优化。

图3 整车有限元模态分析

1.3 车轮中心位置载荷采集

车轮中心位置载荷是通过采集实车转向节上的角加速度信号，并利用仿真计算得出车轮中心传递函数矩阵。文章通过实车试验测取数据，转向节测点布置，如图4所示，图4中各点为安装振动传感器的位置。车厢内噪声在驾驶员右耳位置处测取，如图5所示。实车试验在凹凸不平的坏路上完成，测试车速为60 km/h，变速器处于最高挡。

图4 转向节振动传感器安装位置

图5 车厢内噪声测试位置

计算各车轮中心每个自由度到转向节传感器测试点和车厢内响应点的传递函数，每个车轮分别选取纵向、横向、侧向以及3个旋转方向共6个方向，共24种不同工况。由传递函数和测得的转向节振动信号共同计算出每个车轮中心处的负载。

2 整车路面噪声仿真分析

将车轮中心处的负载加载于整车有限元模型，计算出在不同凹凸路面的整车路面噪声结果，并与实车测量结果进行比较，如图6所示。

图6 路面噪声仿真计算与实车试验对比

从图6可以看出：仿真计算结果与实车试验结果的噪声峰值和变化趋势非常类似，仿真计算过程中位于45 Hz位置时产生峰值，而实车试验中此处未有峰值；在95 Hz位置时仿真计算和实车试验测试都产生了噪声峰值，此处可以成为路面噪声优化的目标。通过实车分析发现，仿真计算中45 Hz位置处的峰值是由行李舱背门的模态引发，可以详细检查有限元模型中背门的配重，通过调整密封条、缓冲块和锁扣的刚度，与实车试验的背门模态值进行对比分析。

3 结论

路面噪声分析是汽车NVH分析中重要的内容，直接关系到整车的性能和质量。为了高效分析路面噪声，文章利用HyperWorks软件中的NVHD模块建立了整车有限元分析模型，通过忽略轮胎系统，采用实车试验与仿真计算相结合的方法，在转向节上布置测点测取加速度和轮胎中心到测试点的传递函数，计算出不同凹凸路面情况下轮胎中心的负载。该建模方法能够比较精确地获取车轮中心处的负载。通过路面噪声仿真计算与实车试验结果的比较，可以得出二者的路噪峰值与变化趋势比较接近，仿真准确性和精度较高，为进一步优化路噪分析提供了参考依据。