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路噪問(wèn)題的診斷與優(yōu)化

2020-03-15 23:41:34·  來(lái)源：NVH老槍  
　
3#老槍 昨天本人3#老槍，由于1#老槍就TPA理論與重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行高水平的兩篇公眾號(hào)解析，那我們干脆一不做二不休展開(kāi)一場(chǎng)TPA專題討論。而今天本人將就一個(gè)具體案例
前言

路面激勵(lì)引起的車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題的研究與優(yōu)化一直是汽車(chē)NVH性能研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的降低和新能源汽車(chē)的普及,道路噪聲已成為城市和郊區(qū)常規(guī)駕駛工況下車(chē)內(nèi)噪聲(300Hz以下)主要來(lái)源。為滿足顧客對(duì)汽車(chē)“輕”與“靜”的音質(zhì)需求，對(duì)汽車(chē)主機(jī)廠的車(chē)型研發(fā)以及NVH性能優(yōu)化提出了更高的挑戰(zhàn)。

而路噪問(wèn)題的診斷與優(yōu)化時(shí)常與以下幾個(gè)詞形影不離：“多參考TPA”，“ODS”，“輪胎選型與空腔模態(tài)”，“車(chē)身的強(qiáng)迫響應(yīng)”等。今天我們就通過(guò)一個(gè)具體案例來(lái)向大家直觀的展示如何把以上幾個(gè)詞有機(jī)的結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)路噪問(wèn)題的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。
 
案例分享

1.基礎(chǔ)概述

本案例中為某型MPV，動(dòng)力總成布置形式為前置后驅(qū)，4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。手動(dòng)變速箱，無(wú)雙質(zhì)量飛輪環(huán)節(jié)及平衡軸。底盤(pán)布置形式為前懸架為經(jīng)典麥弗遜懸架，后懸架為非獨(dú)立懸架。

對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)試，為規(guī)避發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的影響，定義試驗(yàn)工況為55-45km/h粗糙路面滑行工況，測(cè)試結(jié)果如下：

圖1 55-45km/h 粗糙路面滑行工況車(chē)內(nèi)噪聲

主要結(jié)論： 由上圖可知，目前路噪（300Hz以內(nèi)）存在多個(gè)峰值，分別為34Hz，53Hz，73Hz，159Hz，243Hz。 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果為車(chē)輛在粗糙路面行駛過(guò)程中車(chē)內(nèi)有明顯的打鼓聲，且后排比前排嚴(yán)重（存在聲腔模態(tài)影響）。 故需要針對(duì)多個(gè)峰值同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，而且由于低頻峰值較多，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷車(chē)身較大可能性存在弱點(diǎn)，路面激勵(lì)通過(guò)懸架后造成車(chē)身振動(dòng)從而引發(fā)車(chē)內(nèi)轟鳴問(wèn)題。 故首先需要確定技術(shù)路線：

技術(shù)路線的確立：

圖2 路噪問(wèn)題優(yōu)化診斷技術(shù)路線

如圖 2所示，創(chuàng)建試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的技術(shù)路線，試驗(yàn)方面：通過(guò)多參考分析及PCA分析方法，確定與車(chē)內(nèi)噪聲峰值強(qiáng)相關(guān)的底盤(pán)懸架系統(tǒng)（前懸架，后懸架）；針對(duì)問(wèn)題懸架進(jìn)行多參考TPA分析，同時(shí)結(jié)合ODS（工作變形分析）和模態(tài)分析等方法快速鎖定底盤(pán)問(wèn)題部件，并提出優(yōu)化方案；CAE仿真方面：初始階段可通過(guò)基于內(nèi)飾車(chē)身或白車(chē)身模型的模態(tài)分析，傳遞函數(shù)分析嘗試尋找車(chē)身弱點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)中完成多參考TPA分析時(shí)，獲取車(chē)身接附點(diǎn)激勵(lì)力，從而基于內(nèi)飾車(chē)身模型進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)分析并進(jìn)行模型對(duì)標(biāo)，對(duì)標(biāo)完成的模型進(jìn)行弱點(diǎn)分析從而提出優(yōu)化方案。

注：這里就體現(xiàn)出經(jīng)典TPA較工況TPA的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)典TPA中可以獲取車(chē)身側(cè)接附點(diǎn)激勵(lì)力，從而與仿真相結(jié)合，以真實(shí)的激勵(lì)力激勵(lì)內(nèi)飾車(chē)身模型，直接實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的對(duì)標(biāo)分析。進(jìn)而更好的評(píng)價(jià)模型質(zhì)量。

確定好技術(shù)路線后，我們需要就頻帶范圍再次進(jìn)行較為細(xì)致的劃分，從而針對(duì)不同的路噪問(wèn)題表象應(yīng)用不同方法進(jìn)行解決：

圖3 主要路噪問(wèn)題頻帶劃分與解決方法

如圖 3所示，我們可以將路噪問(wèn)題大致劃分為四個(gè)頻帶范圍，以下進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

- 20-60Hz：該頻帶范圍內(nèi)主要由于車(chē)身結(jié)構(gòu)存在弱點(diǎn)造成，懸架系統(tǒng)的調(diào)整可能存在一定效果但效果不大，需要優(yōu)先更改車(chē)身結(jié)構(gòu)

- 60-200Hz：該頻帶范圍內(nèi)，主要由于底盤(pán)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷所導(dǎo)致的路噪問(wèn)題，可通過(guò)多參考TPA結(jié)合ODS、模態(tài)分析等手段鎖定問(wèn)題構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的整改與優(yōu)化；

- 200-250Hz：輪胎空腔模態(tài)極易容易出現(xiàn)在該問(wèn)題頻段內(nèi)，可通過(guò)輪胎選型的方式規(guī)避該問(wèn)題或擬制該問(wèn)題。畢竟輪胎空腔模態(tài)是無(wú)法消除的！

- 大于250Hz：一般到800Hz處為胎噪問(wèn)題，是輪胎的輻射噪聲，也可以通過(guò)選取低噪輪胎取得優(yōu)化效果，更高的頻率范圍內(nèi)主要取決于車(chē)輛的聲學(xué)包性能的優(yōu)劣。

小結(jié)：

本案例中，車(chē)輛路噪問(wèn)題嚴(yán)重，300Hz頻帶內(nèi)存在多個(gè)峰值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷底盤(pán)系統(tǒng)及車(chē)身系統(tǒng)均存在貢獻(xiàn)，需要統(tǒng)一優(yōu)化。創(chuàng)建試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的技術(shù)思路，應(yīng)用經(jīng)典TPA（多參考TPA）方法，通過(guò)車(chē)身被動(dòng)側(cè)接附點(diǎn)激勵(lì)力將試驗(yàn)與仿真有效結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)路噪問(wèn)題的優(yōu)化。
 
2.主成分分析（PCA）

2.1 以輪芯振動(dòng)為參考的主成分分析

路噪問(wèn)題中，引起車(chē)內(nèi)噪聲的激勵(lì)來(lái)自于地面，所有的激勵(lì)是耦合在一起的。我們需要通過(guò)數(shù)學(xué)方法將其解耦從而實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的剝離。而該種解耦的數(shù)學(xué)方法即為我們的主成分分析。

而以輪芯振動(dòng)作為參考進(jìn)行的主成分分析主旨是解耦激勵(lì)，以判斷問(wèn)題頻率是來(lái)自于前懸架還是后懸架，如果問(wèn)題集中在其中一個(gè)懸架，即可只針對(duì)于該懸架進(jìn)行更深入的研究，例如該懸架的ODS分析或是傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析等。

具體操作步驟為首先求解多參考互譜，然后基于多參考互譜求解虛擬相干自譜（Virtual Coherent Autopower），通過(guò)對(duì)比不同參考的虛擬相干自譜與實(shí)測(cè)自譜曲線從而判斷問(wèn)題峰值來(lái)自于哪個(gè)懸架。其中參考通道定義規(guī)則如表1所示：

表1多參考分析數(shù)據(jù)定義方式
 
本案例中分析結(jié)果如所示

 
圖4 以輪芯振動(dòng)為參考的PCA分析結(jié)果

通過(guò)上圖分析我可以發(fā)現(xiàn)：

1. 黑色實(shí)測(cè)自譜曲線與紅色虛擬相干自譜曲線在300Hz以內(nèi)的頻帶范圍內(nèi)基本吻合，證明300Hz內(nèi)的路噪主要由結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起——車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)噪聲與前后懸架強(qiáng)相關(guān)

2. 37Hz峰值處：黑色實(shí)測(cè)自譜曲線、與綠色虛擬相干自譜曲線基本吻合，與藍(lán)色曲線差距較大，證明該處峰值主要貢獻(xiàn)量為后懸架系統(tǒng)

3. 依據(jù)以上評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)整理主要峰值主要貢獻(xiàn)系統(tǒng)結(jié)果如下：

•       37Hz處峰值主貢獻(xiàn)量為后懸架系統(tǒng)

•       52Hz處峰值主貢獻(xiàn)量為后懸架系統(tǒng)

•       142Hz處峰值主貢獻(xiàn)量為前懸架系統(tǒng)

•       255Hz處峰值初步判斷為輪胎空腔模態(tài)

2.2 以車(chē)內(nèi)噪聲為參考的主成分分析

在判斷主要問(wèn)題峰值相關(guān)的問(wèn)題懸架系統(tǒng)后，我們需要針對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)進(jìn)行解耦。之所以需要相對(duì)于響應(yīng)進(jìn)行解耦工作，主要是為了避免分析上的繁瑣。這里我們進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明，若是我們參考振動(dòng)（輪芯振動(dòng)）進(jìn)行主成分分析時(shí)，四個(gè)輪芯，每個(gè)輪芯三個(gè)方向的振動(dòng)，我們可以解耦出≤12個(gè)特征。而振動(dòng)加速度不光體現(xiàn)了NVH性能，還有例如操穩(wěn)、疲勞等特征，這時(shí)就會(huì)造成車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)噪聲需要多個(gè)主成分才能擬合而成?；蚴钦f(shuō)即使沒(méi)有其他性能的影響，目標(biāo)點(diǎn)峰值仍舊可能會(huì)既有某一懸架X方向的貢獻(xiàn)又有Z方向的貢獻(xiàn)，從而在主成分分析時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)該峰值存在多個(gè)主成分貢獻(xiàn)。而參考車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行主成分分析時(shí)，解耦出來(lái)的特征基本與目標(biāo)點(diǎn)噪聲直接相關(guān)，所以基本上一到兩個(gè)主成分即可完成擬合，更加方便我們的數(shù)據(jù)處理分析，同時(shí)也更能體現(xiàn)NVH問(wèn)題。

本案例分析結(jié)果如下：

 
圖5 以車(chē)內(nèi)噪聲為參考的PCA分析結(jié)果

根據(jù)圖 5所示，車(chē)內(nèi)噪聲主要峰值基本均由第一階主成分?jǐn)M合而成，所以該階主成分將被用于之后的ODS分析及TPA分析當(dāng)中。
 
3. 基于第一階主成分的ODS（工作變形）分析

根據(jù)路噪測(cè)試分析結(jié)果，設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)路噪ODS測(cè)試試驗(yàn)方案。路噪ODS振型結(jié)果可用于對(duì)可能引起路噪峰值的懸架部件做進(jìn)一步的診斷

前懸架及后懸架路噪ODS測(cè)點(diǎn)如下圖所示，總共64個(gè)測(cè)點(diǎn)

圖6 路噪ODS測(cè)點(diǎn)描述

基于第一階主分量（噪聲參考）上，對(duì)底盤(pán)懸架系統(tǒng)進(jìn)行工作變形分析，試驗(yàn)結(jié)果如下顯示。

圖7 33.79Hz工作變形結(jié)果

圖8 52.75Hz工作變形結(jié)果

圖9 74.2Hz工作變形結(jié)果

圖10 158.2工作變形結(jié)果

對(duì)工作變形分析結(jié)果總結(jié)如下：

- 33.79Hz工作變形結(jié)果：主要表現(xiàn)為后橋點(diǎn)頭振動(dòng)，主要是剛體變形，未發(fā)現(xiàn)部件有彈性體變形；

- 52.75Hz工作變形結(jié)果：主要表現(xiàn)為后橋點(diǎn)頭振動(dòng)+后懸架后橫拉桿x方向彈性體變形；

- 74.2Hz工作變形結(jié)果：主要表現(xiàn)為后懸架后橫拉桿Z向彈性體變形；

- 158.2工作變形結(jié)果：主要表現(xiàn)為前副車(chē)架彈性體變形及后懸架拖曳臂彈性體變形；

- 244.1Hz工作變形結(jié)果：未發(fā)現(xiàn)明顯特征，振動(dòng)較大點(diǎn)均位于前后懸架輪胎輸入點(diǎn)處。根據(jù)頻率判斷，該處峰值與輪胎空腔模態(tài)較為接近。

根據(jù)工作變形分析結(jié)果，已經(jīng)對(duì)懸架系統(tǒng)問(wèn)題部件進(jìn)行了初步鎖定，由于本案例中需要通過(guò)經(jīng)典TPA獲取車(chē)身接附點(diǎn)的激勵(lì)力從而與有限元分析相結(jié)合。所以下一步我們進(jìn)行多參考TPA分析，進(jìn)一步判底盤(pán)懸架系統(tǒng)問(wèn)題部件，并將獲取的激勵(lì)輸入給CAE分析，輔助車(chē)身優(yōu)化。
 
4. 多參考TPA分析

由于我們已經(jīng)完成了主成分分析，結(jié)果顯示以麥克風(fēng)為參考的第一階主成分將被用于TPA分析當(dāng)中。具體的TPA分析流程在本文中不在贅述，只為大家展示TPA建模測(cè)點(diǎn)及最后數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

4.1 TPA模型建立：

由于PCA分析中發(fā)現(xiàn)，300Hz以內(nèi)頻帶內(nèi)的主要貢獻(xiàn)為結(jié)構(gòu)路徑傳遞，故在本次傳遞路徑分析中不考慮空氣傳遞路徑。且由于傳感器數(shù)量有限，進(jìn)行了分批次測(cè)試，但建議廣大朋友們?nèi)绻芤淮涡酝瓿蓽y(cè)試建議一次性完成測(cè)試，這樣的分析精度及數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。

表2 傳感器的布置和測(cè)量方向（第一組）
 
表3 傳感器的布置和測(cè)量方向（第二組）
 
完成上述各點(diǎn)（車(chē)內(nèi)麥克風(fēng)響應(yīng)、懸架與車(chē)身連接點(diǎn)被動(dòng)端、各參考點(diǎn)）的工況數(shù)據(jù)測(cè)試后，還需進(jìn)行“懸架與車(chē)身耦合點(diǎn)”至上述各點(diǎn)的傳遞函數(shù)（FRF）測(cè)試。即，用模態(tài)力錘分別激勵(lì)“懸架與車(chē)身接附點(diǎn)”，測(cè)試得到上述各點(diǎn)的加速度響應(yīng)，進(jìn)而得到“懸架與車(chē)身接附點(diǎn)”至上述各點(diǎn)的FRF。

試驗(yàn)在半消聲室或者安靜的模態(tài)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試前，需將四個(gè)懸架拆除，用四個(gè)空氣彈簧將內(nèi)飾車(chē)身支撐起來(lái)，如下圖所示。

圖11 拆除懸架、支撐車(chē)輛示意圖

4.2 路噪載荷識(shí)別

完成TPA建模及試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取工作后，便可進(jìn)行各條傳遞路徑的載荷識(shí)別工作，本例所考察的路噪問(wèn)題傳遞路徑載荷輸入點(diǎn)包括：前懸架擺臂與車(chē)身連接點(diǎn)（共4各點(diǎn)）、前懸架彈簧與車(chē)身連接點(diǎn)（共2個(gè)點(diǎn)）、后懸架拖曳臂與車(chē)身連接點(diǎn)（共2個(gè)點(diǎn)）、后懸架控制臂與車(chē)身連接點(diǎn)（共2個(gè)點(diǎn)）、后懸架彈簧與車(chē)身連接點(diǎn)（共2個(gè)點(diǎn)）、后懸架阻尼器與車(chē)身連接點(diǎn)（共2個(gè)點(diǎn)）、后懸架橫拉桿與車(chē)身連接點(diǎn)（共1個(gè)點(diǎn)）。上述共15個(gè)路噪載荷輸入點(diǎn)，45條傳遞路徑(每個(gè)輸入點(diǎn)有三個(gè)方向，共15×3=45條路徑)。本例中應(yīng)用逆矩陣法（Matrix Inversion）作為路噪TPA載荷識(shí)別方法。在完成了傳函及工況數(shù)據(jù)的設(shè)定后，利用逆矩陣法，獲得各個(gè)懸架安裝點(diǎn)處的三個(gè)方向的載荷譜線，該譜線將用于后續(xù)的TPA貢獻(xiàn)量分析，同時(shí)可以給CAE模型提供載荷輸入。上述45條傳遞路徑載荷識(shí)別結(jié)果如圖 12所示。

圖12 路噪TPA載荷識(shí)別結(jié)果

4.3. 傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析

在完成載荷拾取后即可查看各條路徑對(duì)于問(wèn)題峰值的貢獻(xiàn)量，針對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲，按餅狀圖進(jìn)行貢獻(xiàn)量排序，以中排噪聲74Hz處峰值為例，分析結(jié)果顯示后懸架系統(tǒng)橫拉桿為主要貢獻(xiàn)者，該分析結(jié)果與ODS分析結(jié)果相吻合，可鎖定問(wèn)題部件。具體結(jié)果如所示：

圖13 車(chē)內(nèi)中排噪聲74Hz峰值處貢獻(xiàn)量分析結(jié)果

根據(jù)問(wèn)題峰值頻率逐一排查傳遞路徑貢獻(xiàn)并對(duì)比ODS結(jié)果，最終確認(rèn)問(wèn)題部件，其結(jié)果匯總?cè)缦拢?/div>

表4 TPA分析結(jié)果匯總
 
4.4 小結(jié)：

- 針對(duì)車(chē)內(nèi)路噪問(wèn)題，進(jìn)行主成分分析，首先以輪芯振動(dòng)作為參考解耦激勵(lì)，定義主要問(wèn)題峰值強(qiáng)相關(guān)的懸架系統(tǒng)，再以車(chē)內(nèi)噪聲作為參考解耦響應(yīng)，明確了第一階主分量為主要貢獻(xiàn)，將用于ODS及TPA分析中。

- 基于第一階主分量進(jìn)行工作變形分析，初步判斷問(wèn)題構(gòu)件；

- 基于第一階主分量進(jìn)行經(jīng)典TPA分析，分析過(guò)程中求解車(chē)身接附點(diǎn)載荷并輸入給CAE分析團(tuán)隊(duì)用于優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合傳遞路徑分析結(jié)果及ODS分析結(jié)果，最終明確問(wèn)題部件。
 
5. 基于路噪載荷的內(nèi)飾車(chē)身強(qiáng)迫響應(yīng)分析 

根據(jù)經(jīng)典TPA分析結(jié)果，獲取車(chē)身接附點(diǎn)激勵(lì)力，基于該車(chē)身接附點(diǎn)載荷進(jìn)行內(nèi)飾車(chē)身強(qiáng)迫響應(yīng)分析，分析流程如圖 14所示

圖14 內(nèi)飾車(chē)身優(yōu)化流程

基于路噪真實(shí)載荷，對(duì)內(nèi)飾車(chē)身進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)分析。該分析過(guò)程中便可將車(chē)內(nèi)噪聲作為試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)的目標(biāo)點(diǎn)，更為直觀有效的評(píng)判模型精度。通過(guò)循環(huán)性的模型標(biāo)定，調(diào)整模型至可接受精度量級(jí)，基于完成對(duì)標(biāo)工作的內(nèi)飾車(chē)身模型進(jìn)行車(chē)身弱點(diǎn)分析。分析方法包括：面板貢獻(xiàn)量分析、單元貢獻(xiàn)量分析、工作變形分析、傳遞路徑分析等。找到弱點(diǎn)后提出首先需要提出概念性方案，該方案的目的在于驗(yàn)證改進(jìn)方向，明確改進(jìn)思路。一旦概念性方案有效，便可進(jìn)行有限元網(wǎng)格的快速優(yōu)化方案驗(yàn)證。若效果可接受，需要與車(chē)身設(shè)計(jì)部門(mén)緊密合作，確定最終可工業(yè)化實(shí)施的量產(chǎn)車(chē)身方案。本案例中最終確定了車(chē)身優(yōu)化方案40余個(gè)，并最終得以實(shí)施。
 
6. 總結(jié)

以上為試驗(yàn)與仿真的全部分析內(nèi)容，通過(guò)以上的分析，路噪主要問(wèn)題峰值得以明確，結(jié)果如下：

 
基于以上貢獻(xiàn)源，提出修改建議，這里只描述底盤(pán)系統(tǒng)方案，車(chē)身優(yōu)化方案不在贅述。

1. 由于后橋點(diǎn)頭模態(tài)對(duì)低頻峰值貢獻(xiàn)較大，建議添加吸振器

2. 后拉桿存在設(shè)計(jì)弱點(diǎn)，工業(yè)化方案明確為厚度從3mm降低至2mm

3. 后懸架減振器調(diào)整剛度

4. 前副車(chē)架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，不建議添加動(dòng)力吸振器，由于空間有限

5. 后懸架系統(tǒng)襯套隔振調(diào)整，降低15%，但需要結(jié)合操穩(wěn)性能選擇最終方案。

以上底盤(pán)系統(tǒng)方案最終采納了部分，車(chē)身方案共采納40余個(gè)，最終路噪優(yōu)化效果如圖15所示

圖15 車(chē)內(nèi)噪聲最終優(yōu)化效果

前排噪聲總聲壓及降低2dB(A), 中排噪聲總聲壓及降低3.5dB(A), 前排噪聲總聲壓及降低5.2dB(A)。
 
 
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