某纯电动轿车车内轰鸣实验分析及改进研究

周小明，舒 斌

(江铃集团新能源汽车有限公司工程研究院，330063，南昌 )

0 引言

纯电动汽车作为我国汽车产业及战略产业重点发展规划对象，在汽车市场上的占比逐渐提升并得到一定使用，人们对纯电动汽车的需求不再局限于经济性、动力性，还有舒适性。车内轰鸣作为一种低频噪声[1-2]，极易引起车内人员头晕、恶心及耳朵不适，严重影响乘车舒适性。然而，车内轰鸣的产生来自单个或多个零部件激励引起[3]，纯电动汽车与传统燃油车在结构上不尽相同，为此针对纯电动汽车车内轰鸣问题各学者展开了一系列研究。目前分析车内轰鸣主要从频率特性及幅值响应着手，采用传递路径分析[4-6]、模态识别[7-8]等方法查找轰鸣贡献源，通过在噪声传递路径上的优化、改变激励响应及改善结构固有特性[9]等形式对车内轰鸣进行优化。

本文针对某款纯电动轿车在匀加速过程中出现明显车内轰鸣现象，利用LMS Test. Lab对车内振动噪声及车身模态进行测试，加以试验验证方式识别出轰鸣主要贡献源为车身顶盖。通过HyperWorks软件建立了车身顶盖局部有限元模型，并对顶盖钣金敷设局部增强材料并对其布局进行多目标优化设计，从而改善车内轰鸣并提供了一定指导价值。

1 样车车内振动噪声分析

在样车驾评过程中反馈，在粗糙路面匀加速工况下具有明显轰鸣，且后排更严重。为判断该轰鸣下的车速，利用LMS Test. Lab对驾驶员右耳布置声压传感器进行全油门加速采集噪声频率特性。图1所示为全油门加速车内驾驶员右耳噪声频率随转速变化关系，同时计算加速过程OA曲线。

图1 加速车内轰鸣频率特性

从图1表明，当电机转速达到2 762 r/min时，即车速为50 km/h左右出现明显轰鸣，且贡献源主要为36 Hz。

为进一步排查匀速50 km/h时的车内轰鸣，对驾驶员右耳及后排外耳采集噪声频率，如图2所示。对比发现，在低频段车内轰鸣有2个噪声峰值36 Hz及47 Hz，前排主贡献为36 Hz，后排主贡献为47 Hz，且后排综合噪声值要大于前排3 dB。该特性与主观评价结果相一致。

2 轰鸣贡献源排查分析

纯电动轿车整车轰鸣产生原因为车在行驶过程中，电机或轮胎作为激励源，引起整车结构件局部共振或受迫振动、激发整车空腔模态及动力总成悬置隔振率不足。为此从3条路径上对轰鸣贡献源进行排查分析。

图2 匀速50 km/h车内噪声频率特性

2.1 整车空腔模态分析

利用HyperMesh对该车TB模型搭建封闭的声腔有限元模型，即模型中不含座椅及内饰结构，如图3所示。通过OptiStruct求解器对声腔进行自由模态计算，得到前5阶模态如表1所示。

图3 声腔有限元模型

表1 1～5阶声腔模态

通过表1可知，声腔模态前五阶固有频率均远大于引起轰鸣对应的频率，因此可排除声腔对本车轰鸣产生作用。

2.2 动力总成悬置隔振率分析

本车为前动力总成前驱，TRA式3点悬置系统。左右悬置对称连接框梁与纵梁，后悬置连接变速箱与副车架。测试工况为全油门加速工况(0～4 000 r/min)，对3点悬置采集其主被动端X、Y、Z方向振动加速度信号及车内驾驶员右耳噪声信号。如图4所示，全油门加速过程中0.8阶次噪声在2 700 r/min时通过共振带36 Hz，在3 500 r/min时通过共振带47 Hz，表明该激励对轰鸣具有贡献，为此对3点悬置进行隔振率排查。

图4 全油门加速车内噪声

表2为3点悬置主被动段三方向隔振率测试数据。通过计算0.8阶次下主被动36 Hz及47 Hz隔振率，以及被动端0.8阶次振动幅值判别悬置隔振效果。

表2 全油门加速悬置隔振参数

通过对表2分析可知，3点悬置对0.8阶次隔振均未达到15 dB，然而被动端振幅大部分小于等于0.05 g。表明悬置对该阶次隔振基本满足，但该激励的能量由部分通过悬置传递至车身结构。

2.3 结构件排查分析

从本车轰鸣反应的频率特征可知，需要对可能激起模态的结构件进行排查分析，为此主要对车身、前舱模块、顶盖、机舱盖及尾门进行排查，通过LMS Test. Lab对其进行模态测试得到前2阶模态如表3所示。

表3 结构件模态

从表3可知，顶盖横弯引起轰鸣的频率接近，为此初步怀疑为顶盖为轰鸣贡献源。为进一步确定顶盖是否为轰鸣贡献源，对顶盖附加质量块，通过对比方案前后车内噪声与振动幅值是否降低的判断方式，判断该结构是否对轰鸣有贡献。方案前后车速为50 km/h噪声测试结果如图5、图6所示。

图5 车内驾驶员噪声方案前后对比

图6 车内后排噪声方案前后对比

研究发现，在顶盖附加质量后，车内驾驶员噪声整体下降0.5 dB，在20～100 Hz轰鸣敏感频段噪声由40.3 dB降至31.6 dB，下降8.7 dB。车内后排噪声整体下降1.5 dB，在20～100 Hz轰鸣敏感频段噪声由42.4 dB下降至35.2 dB，下降7.2 dB。综上表明，顶盖为轰鸣贡献源，通过改善顶盖能有效优化本车轰鸣。同时对比发现，优化顶盖驾驶员比后排轰鸣感降低更加有效。

3 车内轰鸣噪声优化改进研究

通过上述分析可知，对车内轰鸣优化可以从多个方向优化，对引起0.8阶次本体优化、对悬置进行优化与对顶盖进行优化。本文主要从顶盖方向对车内轰鸣进行优化。

3.1 顶盖优化改进研究及测试验证

从前文所做顶盖模态可知，顶盖局部模态37 Hz和48.3 Hz 与车内轰鸣频率相耦合，且后顶盖局部模态振幅大于前顶盖局部模态。针对顶盖引起轰鸣现象，根据机械振动原理可知，可以通过增加顶盖刚度形式，提升顶盖模态频率从而避开轰鸣频率，通常采用增加顶盖横梁与粘贴热熔增强贴片。同时，也可通过增加阻尼降低振动幅值。考虑到工程实践可行性及成本，本文主要通过粘贴热熔增强贴片进行改进研究。

传统方法敷设增强贴片为通过局部刚度薄弱点确定敷设位置，且对厚度、面积未有明确的概念。本文借助有限元软件基于模态应变能法综合考虑增强贴片敷设位置、形状及重量因素，对顶盖轰鸣进行优化。

为缩短计算时间，不失准确性地采用顶盖局部为研究对象，通过CATIA建立顶盖局部三维模型导入HyperWorks中，然后通过对顶盖附加增强片属性建立含增强片有限元模型，以此为基础计算模态。计算使用基本参数如表4所示。

表4 模型计算基本参数

为了得到精确的计算结果，钣金件采用壳单元划分，网格平均尺寸6 mm×6 mm，焊点采用acm焊点单元模拟，焊缝采用penta焊缝单元模拟，粘胶采用adhesives单元模拟。计算得到前5阶顶盖约束模态，如图7为顶盖二阶约束模态，振型为横弯，频率为46.1 Hz与测试模态相吻合，表明本模型满足计算要求能有效反应实际情况。

为获知增强贴片的敷设位置，通过计算得到顶盖模态应变能，并对应变能大的位置进行附加多种增强片进行验证。如图8所示，除横梁外应变能大的位置为前顶盖起筋中间位置与后顶盖起筋中间位置，该位置为增强片重要敷设位置。

图7 顶盖2阶约束模态图

图8 顶盖2阶模态应变能云图

根据粘贴附着能力和有效性，对增强片厚度选用3 mm进行分析。同时基于模态应变能法，在保证前后顶盖应变能最大处敷设条件下，本文对后顶盖不同形状增强贴片方案开展研究。图9给出了在前顶盖敷设相同增强片状态下，后顶盖敷设仅中心区域增强片(增强贴片方案a)，后顶盖敷设双十字增强片(增强贴片方案b)，后顶盖敷设中心加强双十字增强片(增强贴片方案c)和后顶盖敷设全区域增强片(增强贴片方案d)4种方案模型。

(a)增强贴片方案a (b)增强贴片方案b

(c)增强贴片方案c (d)增强贴片方案d

表5研究了不同方案用料面积及形状对顶盖频率的变化。

表5 方案用料面积与顶盖频率变化

结果表明，不同的敷设形状对顶盖模态频率影响相差较大，方案a用料面积最小，频率较基础有下降，原因为附加的质量比增加的刚度对频率影响更大，增强片单位提升率为-1.36 Hz/m2。方案b频率提升9.1 Hz，增强片单位提升率为36.4 Hz/m2。方案c频率提升10.4 Hz，增强片单位提升率为34.6 Hz/m2。方案d频率提升3.9 Hz，增强片单位提升率为9.3 Hz/m2。从上述反映出不同的敷设形状相对敷设面积对模态频率影响更大，从模态提升与工程化考虑，选用方案b进行实车验证。

3.2 实车验证

对上文提出的方案b进行实车敷设，通过对比敷设前后车内驾驶座内耳及后排内耳位置噪声值验证方案有效性。

从图10可知，顶盖敷设增强贴片方案后，在匀速50 km/h工况下，引起车内轰鸣的频段有明显改善。其中，在驾驶员位置较原状态37 Hz下降12.4 dB(A)，48 Hz下降13.6 dB(A)。后排位置37 Hz下降4.4 dB(A)，48 Hz下降4.3 dB(A)。表明本文通过对顶盖敷设增强贴片方法对匀速车内轰鸣有明显改善。

(a) 匀速50 km/h驾驶员车内噪声频率特性

(b) 匀速50 km/h后排车内噪声频率特性

从图11可知，顶盖敷设增强贴片方案后，在全油门加速工况下，轰鸣频段有明显改善。

(a) 全油门加速车内驾驶员位置噪声对比

(b) 全油门加速车内后排位置噪声对比

4 结束语

1)针对本纯电动轿车车内轰鸣问题，结合轰鸣噪声特性，提出从激励源动力总成，响应源结构件进行查找轰鸣频率排查方法。

2)通过对顶盖进行增强贴片，对引起车内轰鸣的频段进行了有效优化。同时经过实车验证，车内轰鸣有了明显改善。

3)本文提出基于模态应变能的敷设方法基础下，对敷设位置和形状目标进行了讨论，通过设计最佳的敷设方式，本方法能有效地满足性能要求及开发成本，具有良好的工程运用及指导价值。