某乘用车加速行驶车内噪声问题诊断与优化研究

许京 邓建交 姜雪 冯婧婷 张强

摘  要：在某乘用車的研发阶段，通过主观评价，其存在加速工况下车内轰鸣噪声问题，使用整车虚拟仿真与试验相结合的方法进行问题分析和诊断优化。首先，建立整车有限元分析模型，进行模型校验，使用基于模态的频响分析方法在整车模型中复现整车加速噪声问题。然后使用问题诊断分析方法，对加速噪声峰值频率处响应结果进行节点贡献量分析和传递路径分析，识别对加速噪声影响较大的主要传递路径和车身区域。对悬置支架和车身结构进行改进，通过整车模型分析和试验验证，优化后整车加速噪声问题明显改进。利用整车虚拟分析方法能快速实现问题诊断和设计优化，极大地提高问题解决效率，实现整车NVH性能正向开发。

关键字：整车虚拟仿真;加速噪声;问题诊断

中图分类号：U461.4      文献标识码：A       文章编号：1005-2550（2022）01-0076-05

Research on Diagnosis and Optimization of Interior Noise of a Passenger Car During Acceleration

Xu Jing1，2， Deng Jian-jiao1，2， Jiang Xue1，2， Feng Jing-ting1，2，  Zhang Qiang1，2

（1.China FAW Group Co.，Ltd. Changchun 130011， China; 2.State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control. Changchun 130011， China）

Abstract： In the development stage of a passenger car， through subjective evaluation， it has a problem of interior booming noise under acceleration condition. A method of combining virtual simulation and test is used for problem analysis and diagnosis optimization. First， establish a finite element analysis model of the entire vehicle and perform model verification. The modal-based frequency response analysis method is used to reproduce the acceleration noise problem in the vehicle model. Then use the diagnosis analysis method to analyze the contribution of nodes and paths at the peak frequency of the acceleration noise， and identify the main paths and body areas that have a greater impact on acceleration noise. With the improvement of the mount bracket and body structure， through vehicle model analysis and test verification， the acceleration noise problem was significantly reduced after optimization. Using the vehicle virtual simulation can quickly realize problem diagnosis and design optimization， greatly improve the problem solving efficiency， and realize the positive development of vehicle NVH performance.

Key Words： Whole-Vehicle Simulation; Acceleration Noise; Problem Diagnosis Analysis

1    问题描述

NVH是整车感知质量的重要评价指标之一，随着乘客对车辆驾驶体验的需求日益增加，对整车NVH性能开发逐渐趋于精细化，为了缩短整车开发流程，越来越多的使用仿真与试验相结合的策略来分析和解决问题[1]。

整车是一个复杂的包含了多个子系统的多输入、多输出系统，对于NVH问题分析常用的简化模型是“源-传递路径-响应”模型[2]。加速轰鸣问题是一种常见的NVH问题，主要频率范围集中在中、低频率段，用户感知到的车内噪声成分主要为结构传递的噪声。就整车加速噪声CAE而言，“源”主要为动力总成产生的振动激励，不考虑路面激励和风激励。“传递路径”主要为分为结构传递路径，动力总成激励经由悬架隔振系统传递到车身侧，激励起车身钣金的振动，与车内空气声腔形成流固耦合效应，向车内传递噪声。“响应”为车内耳旁噪声测点，代表NVH客户感知指标。有限元理论具有其局限性，其适用于计算200Hz以下的低频振动噪声，对于中、高频段，整体模态密度会急剧增加，通常采用统计能量法进行分析。

本文以某车型加速行驶过程中，在高转速车内噪声大问题开展研究，通过加速行驶噪声试验主观评价，车内乘员感受到轰鸣噪声过大，有压耳感。对此现象进行客观测试，该工况下噪声声压级曲线如图1所示，在发动机转速3000r/min-5000r/min之间时，车内二阶加速噪声明显超出目标值。

2    整车加速噪声有限元分析方法

2.1   整车模型建模

为了在车型开发阶段尽早的预研车内噪声水平、进行风险评估与解决，使用整车虚拟分析的方法进行研究。搭建整车虚拟平台的总体思路是由总成级到整车级，整车模型是由车身、底盘、动力总成组成，各个总成又包含各子系统有限元模型，各子系统之间建立连接关系，比如使用自由度关系模拟万向节和球铰链接，使用MPC模拟齿轮传动关系，使用弹性属性（pbush或pbusht）模拟隔振元件。同时，根据整车项目进展状态和分析工况，快速进行部件的装配与替换、动力总成档位切换、隔振元件工作点刚度的模拟等。目前，整车虚拟模型精度与试验结果趋势一致，能进行问题复现和方案择优。

2.2   整车模型校验

对各个子模型分别进行校验，包括全饰车身模型、声腔模型、动力总成模型、传动系模型、前/后悬架模型、轮胎模型等，本研究所参照的整车各个子模型校验项如表1所示：

2.3   整车加速噪声有限元分析

在各子模型满足质量、惯量、模态和传递函数等精度要求的前提下，在NVHD软件中建立整车模型，整车有限元模型如图2所示，使用整车虚拟模型进行针对加速噪声问题进行趋势预测。

整车加速行驶时，主要结构激励是由动力总成产生的，振动通过悬置向车内传递。对于四缸发动机，激励的主体成分是发动机二阶激励，提取悬置被动端加速度，结合悬置被动端测点到车内噪声响应点的传递函数，通过传递函数逆矩阵方法计算得出频域下悬置被动端激励力和相位，以此作为整车模型的输入激励。

整车虚拟分析主要采用基于模态的频响分析方法，计算车内噪声响应。分析频率范围根据阶次激励频率范围确定，对应于发动机转速1511-5452r/min区间，动力总成二阶激励下分析频率范围为41-171Hz，4阶激励下分析频率范围为101-363Hz，结构模态的计算频率上限取分析频率上限的1.5倍，声腔模态的计算频率上限取分析频率上限的3倍。整车前后排主阶次噪声如图3所示。通过加速工况司机外耳噪声与试验结果对比，整车虚拟有限元模型能在趋势上较好的吻合试验值，验证了仿真分析结果的有效性。

3    整车加速噪声问题诊断

3.1整车加速噪声机理分析

对于全油门加速工况高转速噪声大的问题进行问题初步排查，使用NVH专业常用的“源-传递路径-响应”分析方法，主要影响因素如图4所示，初步判断高轉速噪声大，是由于发动机本体振动大，经后悬置、排气吊挂传递到车身，激起车身结构的局部模态后辐射到车内引起。对于NVH问题的解决通常有以下三种方式：

（1）控制噪声源，降低对系统的激励力的输入。

（2）通过隔振、吸振等方式，削弱路径传递。

（3）优化车身结构，降低车内噪声响应。

3.2   传递路径诊断分析

传递路径分析方法能识别结构激励源通过连接点到响应点的全部路径，根据所关注的频率将路径贡献进行排序，以确定对噪声响应影响最大的关键路径和关键频率[3-4]。将整车看做一个线性系统，如图5所示，车内噪声响应可以表示为：Pt=∑pathsPi=∑paths（Hi×Fi）。其中：发动机激励有xyz三个分量，经由多个传递路径到响应点，Hi代表各个路径的传递函数，Fi代表各个路径的激励，各个路径上两者乘积的求和即为声压响应Pt。

以整车加速工况车内噪声为例，主要的结构激励为动力总成，动力总成激励的结构传递路径主要是经由悬置连接点、副车架连接点、减振器连接点、传动轴连接点和排气吊挂等传递到车身。

图5 加速噪声传递路径分析示意图

整车加速行驶时，主要激励源为动力总成往复惯性力和惯性力矩，通过在发动机第三轴承座分别施加6个自由度方向的激励力和曲轴转动方向的激励力矩，计算动力总成到车身连接点的噪声传递路径。结果如图6和图7所示，在激励力和激励力矩分别作用下，主要噪声路径皆为动力总成后悬置与车身连接点。

3.3   贡献量分析

当车身传递函数对车内噪声灵敏度较高时，可以使用节点贡献量分析方法识别出对车内噪声影响较大的关键零部件，寻求最经济、有效的解决方案[5]。节点贡献量分析是一种快速、有效的整车问题诊断方法，应用该方法将车内声腔作为控制体，能够识别出声固耦合界面上对峰值频率的声学响应有显著贡献的结构区域，通过降低此区域的结构振动即可降低响应点声压，通常的方法是对此区域的结构进行设计更改。为解决整车开发过程中的NVH问题提供更有针对性的优化方向。

针对整车加速噪声147Hz峰值处进行节点贡献量分析，节点贡献量分析结果如图8所示，红色区域对于响应点声压有正贡献的区域，即使声压响应增加，NVH性能变差。由对驾驶员外耳响应点的节点贡献量分析可得出，车身后地板是对车内噪声贡献较大的关键区域。

4    整车加速噪声问题优化

通过对整车模型的TPA分析，后悬置与车身连接点为主要路径贡献点，针对后悬置区域提出优化方案。对加速过程中的主要路径后悬置支架进行优化，采用短机加后悬置支架，提升局部刚度，如图9所示。后悬置支架优化前后的效果如图10所示，优化后，在140Hz以上能普遍降低车内噪声声压级，峰值处最大改善4dB（A）。通过整车加速试验验证，频谱图和3D彩图分别见图11和图12。短机加后悬置支架对4000r/min以上二阶噪声改善明显，并在4600r/min附近改善5dB（A）。

对于整车节点贡献量分析结果，对后地板区域进行优化改进，优化方案即在后地板左、右纵梁处各增加两个2kg的质量块，如图13所示。以改变车身后地板处局部模态，达到移频的效果，降低车内噪声响应，如图14所示。通过整车加速试验验证，频谱图和colormap图分别见图15和图16。3800r/min以上2阶改善明显，峰值处降低5dB（A），总值降低2dB（A）。

5    结语

本文通过整车虚拟与试验相结合的方法，对整车加速噪声问题进行问题分解和诊断优化。

（1）通过整车各个子模型标定和整车模型的标定，整车虚拟仿真的方法能对整车加速NVH问题进行较好的模拟，仿真精度能够满足NVH问题分析和解决的要求。

（2）通过对整车模型加速问题频率下的TPA分析和贡献量分析，快速识别主要影响因素，提出2种优化方案，使用CAE与整车测试方法分别进行验证，最终验证方案的有效性。

参考文献：

[1]李秋悦.基于传递路径分析的车辆结构路噪诊断与优化研究[D].武汉：武汉理工大学，2018.

[2]许欣尉，李龙，许春铁，等. 基于有限元的转向盘摆振整车分析方法研究[J].2019中国汽车工程学会年会论文集，2019.

[3]叶松奎.传递路径分析法在方向盘振动分析中的应用[J].客车技术与研究，2016（01）.

[4]韩炯刚，孙健颖，刘佳，等.某SUV低转速车内轰鸣问题的分析与解决方法[J].汽车科技，2019（03）.

[5]庞崇剑，常光宝，李小梅，等.基于发动机激励的整车结构噪声优化设计[J].汽车零部件，2019（10）.

专家推荐语

王   彦

东风汽车股份有限公司商品研发院CAE

及NHV技术首席设计师  研究员级高级工程师

针对乘用车加速行驶车内轰鸣声问题，整车虚拟仿真与试验相结合，进行整车传递路径分析和贡献量分析，快速识别主要影响因素，提出2种优化方案，问题改善较好。