轻卡驾驶室振动及声学环境分析

徐从新

摘要：NVH特性作为消费者体会最为直接和表面的汽车特性之一，在汽车的开发研究和实际生产中，扮演着极其重要的角色。研究车内噪声情况，对企业来说有着较强的经济利益，对消费者而言，人体的健康是重中之重。随着计算机技术的迅速发展，使得产品在设计和试制阶段，针对车内噪声方面进行研究，并达到有效地控制噪声的目的。

关键词：轻卡驾驶室；试验测试；振动；声学环境

驾驶室的振动是影响整车动态特性与驾驶舒适性的一个重要指标。对于轻卡而言，整车的舒适性主要针对驾驶室而言的。在驻车状态下，某轻卡样车发动机升速至2 500 r/min 附近时，人体主观感觉该样车驾驶室有明显的振动现象。由于这种振动发生在常用车速范围内，因此必须加以控制。引起驾驶室振动的因素是多方面的，如何找出振动的原因是一个较为复杂的问题。

一、概述

1.轻卡的动力总成悬置系统。发动机大都通过弹性支承安装在车架上，这种弹性支承又称为悬置。动力总成悬置系统是指连接动力总成（包括发动机、离合器、变速器等）与车架间的一切弹性支撑的总和。该轻卡样车动力总成悬置系统采用三点支撑，即2 个前悬置（分别称左前悬置、右前悬置）和1 个后悬置。并称与发动机相连的上支架为主动端支架，与副车架相连的下支架为被动端支架。对于机械系统采取隔振措施，都有一个如何评价隔振效果的问题。通常是将采取隔振措施前后结构的某个振动量做比较，以此评价隔振效果。测量动力总成悬置系统的隔振效果时，通常选择悬置安装点和车内座椅滑槽附近的振动量为评估对象。理论上认为，以总的稳态振动能量或表面平均振动能量密度来评价一个结构体的振动是最为合适的。隔振量是指发动机的激励经过悬置传递到车身后振动能量衰减的大小。振动能量衰减越大，则隔振量越大，即说明悬置的隔振效果越好。但振动能量在实际中无法直接测到。由于加速度传感器灵敏度高、频率范围宽、线性动态范围大、被测信号较强等优点，因此加速度被广泛作为直接测量对象。并且，在某种假设下，经测量得到的加速度均方值正比于平均振动能量密度。因此，通常直接测量悬置支架主动端和被动端的加速度来求出隔振量。

2.轻卡振动的传递路径分析。传递路径分析法是一种基于试验的振动与噪声分析方法，可解决激励源―路径―响应的振动噪声问题。该方法是一种通过分析主要振动的来源，以便于进行系统有的放矢改进设计的方法。因此，对改善汽车NVH性能更具有针对性。就该轻卡样车而言，驾驶室的激励源主要有路面激励和发动机激励。由于样车是处于驻车状态，因此其主要的激励源来自发动机的振动。若要降低发动机的振动对驾驶室的影响，最有效的办法是调整传递路径上的部件参数，达到减振与隔振的目的。因此，须首先从发动机激励源开始，对该样车动力总成悬置系统的隔振效果进行测试。

二、轻卡驾驶室振动及声学环境分析

1.试验测试及结果分析。一是测试仪器。测试仪器主要有7 个三向加速度传感器、转速表和BBM振动噪声数据采集仪及配套的分析软件。二是试验工况的定义和选择在整个试验中有着相当重要的地位。试验工况的选择要能够反映出动力总成悬置系统在正常的驾驶工况中的隔振效果。其中，怠速工况是常见的驾驶工况，此工况下人体对车内的振动噪声最为敏感。升降速工况主要体现驾驶车辆时的加速和减速，此工况的测试可以反映出动力总成悬置系统在发动机大扭矩输出下的各项性能。而原地升速工况是在整车不能外出试验又没有转鼓试验台时代替正常加速工况。摸底测试的测试工况主要是选择怠速工况和原地升速工况这两种工况。三是结果分析。怠速工况下，对于车内测点，一般要求各向振动加速度值均方根总和不要超过0.4 m/s2。故怠速时车内的振动满足要求。由以上分析可知，通过振动传递路径分析和摸底测试，初步诊断出轻卡样车驾驶室振动的原因是由于动力总成悬置系统的横向隔振不理想所致。发动机工作产生的不平衡力或力矩，经动力总成悬置系统几乎全部传递至前副车架，进而引起驾驶室的振动。

2.驾驶室NVH 仿真模型的建立与验证。为了还原轻卡驾驶室在实际工作中的数学行为特征，给后续的仿真分析提供基础，应首先建立轻卡驾驶室有限元模型。轻卡驾驶室结构有限元模型利用有限元软件建立，轻卡驾驶室声腔有限元模型利用建立，并分别进行模态分析，运用软件将驾驶室结构有限元模型和声腔有限元模型耦合。在耦合模态中，结构变形会影响声压分布，声压变化也会影响结构振动，所以需要对轻卡驾驶室结构- 声腔耦合模型进行模态分析。利用LMS Virtual.Lab 对驾驶室的耦合模态进行叠加运算，驾驶室结构计算模态和试验模态对应固有频率相对误差在10% 以内，能够反映实际驾驶室结构振动固有特性，可以用作 NVH 特性分析。将驾驶室耦合模态与对应的驾驶室结构模态对比可知，结构与声腔在模态分析中会产生相互作用，对驾驶室内声压分布产生影响，所以在对驾驶室声场的预测过程中采用驾驶室声固耦合有限元模型。

3.驾驶室NVH 特性分析。为了研究轻卡驾驶室 NVH 特性，以驾驶室与驾驶室悬置连接处的激励信号作为激励，利用有限元的方法对驾驶室振动和声学状态进行分析。分别对驾驶员右耳旁和副驾驶左耳旁的声压级分布情况进行仿真，分析车身结构板件声学贡献量。轻卡驾驶室悬置上端振动为驾驶室振动的直接激励源，因此对驾驶室与这四个悬置的连接处施加激励。选取频率范围0-400Hz 的模态参与计算，模态阻尼比为1%。选取顶棚中央前部、顶棚中央后部、前围中央、后围中央、驾驶员侧地板、副驾驶侧地板、右侧后地板、左侧后地板这8个节点作为响应点，提取在这些位置处振动响应情况，作出8 个响应点各方向的位移响应曲线和加速度响应曲线。主要原因是顶棚面积大，缺少加强部件，因此在激励下容易发生较大的振动。因此可以通过在顶棚振动峰值处加强部件布置的方法有效改善其振动情况。利用已建立的驾驶室声固耦合模型，通过 Acoustics 模块仿真预测车内声场的响应。对驾驶室车内声场的预测采用计权声压级来表示，将采集到的声信号进行修正，使数据更加符合符合人耳对声音的主观感觉。在分析随机激励下耦合聲场的响应时，在驾驶室与四个悬置连接处分别施加驾驶室悬置上端三个方向的力信号，依据声学- 汽车车内噪声测量方法中传声器位置选择声压检测点位置，利用声学有限元模块来预测车内的声场。驾驶员右耳旁和副驾驶左耳旁计权声压级曲线趋势基本一致，其中驾驶员右耳旁最大声压级出现在57Hz 处，顶盖的振动较大，为主要噪声源。副驾驶左耳旁最大声压级出现在92Hz 处，顶盖横梁处以及前围左下方的振动较大，为主要噪声源。为了验证仿真的正确性，以驾驶员右耳旁为例进行实测，与仿真结果进行比较，发现仿真结果和试验结果基本一致。在轻卡驾驶室中，各个板件和区域都会对驾驶室声场产生不同声压贡献量，所以优化驾驶室的声场需要进行驾驶室声学板块贡献量分析。将驾驶室划分为前挡风、前围板、左侧车门、左侧车窗、顶盖、右侧车门、右侧车窗、后围、后地板、前地板10 个板件，通过适当增加板件厚度，调整顶盖加强筋位置，加强车门与地板之间的连接关系等方法，可以达到改善驾驶室声学环境的效果。因考虑轻量化问题，板件厚度不可过度增加。

为了优化轻卡驾驶室的声学环境，本文以轻卡驾驶室为研究对象，在不改变悬置模具的情况下，通过改变悬置橡胶材料的邵氏硬度，有效控制了该轻卡样车驾驶室的振动。

参考文献：

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