排气系统热端模态对车内轰鸣影响的研究

刘国彬 曾宪宁 陈祝健 蒋雄猛 陈方林

摘 要：某1.5T SUV车型在开发过程中，发现在加速工况下，车内存在3000r/min、3600r/min的轰鸣声，严重影响主观感受。经过排查试验，确定问题原因为排气系统热端模态被激发，振动通过吊钩传递到车身，引起车身局部钣件共振，最终引起车内轰鸣声。利用CAE 分析制定优化方案并进行实车验证，经过验证，加速轰鸣声改善明显。

关键词：排气系统;轰鸣;耦合共振;有限分析

中图分类号：TB535;U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-107-04

Abstract： During the development of a 1.5T SUV， it was found that the booming of 3000r/min and 3600r/min in acceleration condition seriously affected the subjective feeling. After investigating test， it was determined that the reason is that the hot end mode of exhaust system is stimulated to produce coupling. Vibration is transmitted to the body through the hook， causing resonance of sheet metal parts of the body， and finally causing booming. The optimization scheme was formulated by CAE analysis and verified by real vehicle. After verification， the booming noise was improved obviously.

Keywords： Exhaust system; Booming noise; Coupling resonant; Finite element analysis

CLC NO.： TB535; U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-107-04

引言

生活在现代社会的人们越来越离不开汽车，人们对汽车的各项性能指标要求越来越苛刻，NVH是评价汽车性能的重要指标之一。轰鸣是经常出现的噪声问题，普遍发生在怠速、匀速、加速工况。排气系统是引发车内轰鸣的常见系统之一，它一端连接发动机，一端通过吊耳与车身相连，而排气热端由于其结构特性原因，模态较低，容易被发动机激励激发导致共振，振动会经过排气系统传递给车身，若传递给车身的振动过大时，会引起车身板件振动过大，从而在车内产生轰鸣。因此，排氣系统NVH特性的好坏，对整车NVH水平影响很大。

针对排气系统，国内外工程师和学者做了大量的研究，李松波[1]针对排气系统振动控制的关键点和目标，对排气组件的设计原则做了详细介绍;何森东[2]等针对排气系统消声器内部结构进行了优化，解决了某MPV低转速的轰鸣声;Heiner[3]等人介绍了试验模态的三种边界，即自由模态、悬置约束模态、悬置和边界约束模态，也讨论了试验模态坐标系的选择。为深入了解增压发动机排气系统对整车NVH的影响，有必要对排气系统的结构噪声产生的原因、识别以及控制做研究分析。

1 排气系统结构噪声特性分析

涡轮增压发动机的增压机和排气热端常见的布置形式如图1所示。

排气系统的结构噪声主要分为：（1）排气系统热端振动发出的低频轰鸣声;（2）冷端的振动通过吊钩传递到车身而产生的振动噪声。

对于热端的低频轰鸣声一般是由于其模态偏低，导致耦合共振后发出的低频轰鸣声，一般可以通过增加支架或者吸振器来解决;而冷端引起的结构声，一般的解决思路是降低热端的振动、排气系统的整体模态规划、吊钩安装点动刚度的提高、吊耳的刚度的降低等等。

2 车内轰鸣声产生机理

在密闭情况下，汽车车内空气作为弹性体，会形成许多空腔模态。当车身受到外界激励时，车身某些钣金件的振动模态与声腔某些模态产生耦合作用后，空腔将会在车内产生很高的压力脉动，引起人耳不适，甚至产生恶心等现象[4]。

从产生轰鸣声机理我们可以知道，车内产生轰鸣声的前提条件有：激励源、密闭的驾驶室、驾驶室的钣件和车内声腔模态发生声固耦合。优化的工作主要在激励源和钣件上着手，改变声腔模态和车身结构模态的分布、改变激励源如：驱动轴的固有特性、排气系统的模态、改变副车架结构、优化悬架等。

3 问题描述及优化

3.1 问题描述

某1.5T SUV车型加速工况下，驾评人员反映车内噪声过大。为快速响应，拟采用主观评价和客观测试同时进行，测试工况为3挡全油门，当发动机转速到达2200-3800rpm时，车内乘员均主观感觉到有明显的轰鸣声，其中驾驶员右耳的3000rpm、3600rpm附近非常明显。对试验采集的数据进行分析，如图3，发现在问题转速下的轰鸣声，其主要是2阶噪声峰值。

5 总结

本文阐述了产生轰鸣声的机理，提出对车内轰鸣声的解决方案，在此过程也得到了一些经验：

（1）对排气热端进行振动隔离，评估出排气热端振动对车内轰鸣的贡献，简单有效的锁定了问题根源，在工程上具有实际意义;

（2）利用实验和仿真的方法对排气系统热端进行模态求解，确定了问题模态，在通过仿真手段进行优化，加快了解决问题的效率;

（3）排气热端与增压机相连，构成末端带有大质量的悬臂结构，此类结构模态偏低，易在发动机转速区间内引发加速轰鸣声，所以前期开发时，应考虑通过增加支架来提高其模态，一阶模态最好大于250Hz。

参考文献

[1] 李松波.车辆排气系统振动建模与动力学特性研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[2] 何森东，杨迪薪，李洪亮，等.某MPV车型排气系统引起车内轰鸣声研究[J].交通科学与工程.2017，第1期：61-65.

[3] Heiner Storck，Hartono Sumali，Ya Pu. Experimental modal analysis of automotive exhaust structure.SEA.010-01-0662.

[4] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.309-314.