摘要：針對某商用車發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速1 100 r／min～1 600 r／min下，車內(nèi)存在較為嚴(yán)重的轟鳴聲問題，應(yīng)用Siemens公司的LMS Test.Lab軟件對問題車進行相關(guān)NVH性能測試，結(jié)合工作經(jīng)驗和動力學(xué)知識，初步判定頂棚對此轟鳴聲有一定的貢獻(xiàn).選用移動錘擊法對頂棚進行模態(tài)測試，合理布置加強筋提高頂棚剛度，避開頂棚頻率與發(fā)動機工作頻率共振.優(yōu)化后的試驗數(shù)據(jù)表明：與原狀態(tài)的頂棚相比，頂棚模態(tài)頻率有了顯著提高，除一階頻率外，其余振動頻率后移16 Hz以上，轟鳴轉(zhuǎn)速帶從 1 100 r／min～1 600 r／min 縮短到了 1 200 r／min～1 550 r／min，車內(nèi)轟鳴聲也得到了很好的改善，總體下降 5 dB（A）.

引  言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)今私家車數(shù)目急劇上升，國內(nèi)汽車企業(yè)也是遍地開花.汽車技術(shù)的不斷推陳出新，零部件供應(yīng)商與主機廠之間的合作日益緊密，不同品牌汽車的使用性能和安全性能的差別越來越小，而外觀造型方面對消費者的吸引力也越來越弱.消費者在購買車輛時，越來越傾向于汽車的駕駛感受，比如行駛時車內(nèi)噪聲的大小，座椅、門窗的抖動問題，顧客的這種需求的變化迫使各整車廠紛紛轉(zhuǎn)移重心來研究如何提高乘用車的NVH（Noise Vibration and Harshness）性能［1］，以此來提高自身在市場上的競爭力.近年來，車內(nèi)聲學(xué)品質(zhì)已成為汽車乘坐舒適性的最重要的指標(biāo)之一.汽車車身上含有大量的板殼結(jié)構(gòu)件，其中汽車的頂棚屬于剛度較低的薄板件，容易產(chǎn)生低頻振動，從而與發(fā)動機的諧次振動發(fā)生共鳴，放大車內(nèi)噪聲［2］.

在汽車頂棚振動特性優(yōu)化問題上研究由來已久，周鋐等［1］通過在頂棚上布置聲子晶體來降低頂棚的振動強度.邢峰等［3］通過在頂棚嵌入壓電傳感器和制動器來對頂棚進行振動主動控制.宋俊等［4］通過在汽車頂棚布置阻尼片來削弱頂棚振動，降低車內(nèi)噪聲.所以對頂棚進行模態(tài)試驗是非常有必要的，確定頂棚的各項模態(tài)參數(shù)，從而確定對頂棚的優(yōu)化方案，避開與發(fā)動機的耦合共振.

針對某商用車在低轉(zhuǎn)速 1 100 r／min～1 600 r／min 下，車內(nèi)轟鳴聲較嚴(yán)重的問題，采用 LMS.Test.Lab 軟件中的Impact Testing模塊對問題車的頂棚進行模態(tài)敲擊測試，通過力錘移動敲擊法對頂棚進行試驗，得出了原狀態(tài)的頂棚前四階固有頻率和固有陣型，并與發(fā)動機的諧次頻率進行對比.對頂棚進行優(yōu)化后，采用同樣的方法對頂棚進行模態(tài)測試，得出優(yōu)化后頂棚前四階固有頻率和固有陣型，對比原狀態(tài)和優(yōu)化后的頂棚頻響曲線以及噪聲曲線，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后車內(nèi)噪聲明顯得到改善；故確定此優(yōu)化方案在改善該問題車的NVH性能上是有一定的可行性.

1 共振的機理

通常來說汽車乘坐室是由很多薄壁板沖壓焊接組成的，車內(nèi)空氣形成了一個封閉腔室，封閉的氣體類似于一個彈性體，其具有自身的模態(tài)，在NVH領(lǐng)域，這種模態(tài)被稱為聲腔模態(tài)［5］.當(dāng)汽車發(fā)動后，空氣在車內(nèi)與車身會有許多的振動碰撞，當(dāng)彈性體的聲腔模態(tài)與車身的薄壁板構(gòu)件的某一階固有模態(tài)耦合時，就會引起聲腔振動效果的放大，進而引起乘客身體出現(xiàn)各種不適癥狀.也就是轟鳴（Boom）［6］.

2 發(fā)動機諧次頻率

本問題車的發(fā)動機是直列四缸四沖程汽油發(fā)動機，基于發(fā)動機的工作原理，由該車發(fā)動機引起的各階振動頻率滿足下述公式［7］：



式中：fk——發(fā)動機k的階振動頻率，n——發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，k——振動階次數(shù)（通常取2，4，6，8，…）

該車發(fā)動機是在低轉(zhuǎn)速1 100 r／min～1 600 r／min的情況下，引起車內(nèi)轟鳴，通過上述公式可得出，發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速帶的二階激勵頻率為 36.67 Hz～53.33 Hz，四階激勵頻率為 73.33 Hz～106.66 Hz.由工作經(jīng)驗結(jié)合理論分析，初步判斷可能是由于發(fā)動機諧次激勵頻率與頂棚的模態(tài)頻率耦合所致，為驗證判斷是否正確,對問題車的頂棚做模態(tài)測試.

3 整車噪聲振動試驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 測試方案

在駕駛員右耳處以及后排右坐乘客左耳處放置2個聲學(xué)測量用的麥克風(fēng)，在汽車頂棚對稱布置2個力學(xué)加速度傳感器，同時在頂棚上部布置有25個響應(yīng)點.就問題車進行數(shù)據(jù)采集分3步：首先，在N擋全油門緩加速、怠速AC／ON、怠速AC／OFF等工況模式下先做一個駐車主觀評價，問題車在發(fā)動機轉(zhuǎn)速處于1 100 r／min～1 600 r／min時，車內(nèi)有較大的轟鳴聲；其次，在某交通試驗場內(nèi)，再對問題車進行路試客觀數(shù)據(jù)評價，主要測試工況有3＾WOT，4＾WOT，5＾WOT全油門緩加速，測試發(fā)現(xiàn)跟駐車主觀評價一樣，同樣存在低轉(zhuǎn)速轟鳴聲；最后，再對汽車頂棚做模態(tài)敲擊試驗.測試完成后，對測試所得數(shù)據(jù)進行分析.

3.2 問題車頂棚原狀態(tài)測試
先就問題車處于原狀態(tài)時進行NVH的主觀評價，以及客觀數(shù)據(jù)評價，采用的是Siemens公司旗下的LMS測試設(shè)備，試驗采用LMS Test.Lab中Signature中的Signature Testing－Advanced模塊來獲取問題車的原狀態(tài)各項NVH參數(shù).經(jīng)過測試得出原狀態(tài)時頂棚的頻率響應(yīng)函數(shù)圖如圖1所示.


圖1 原狀態(tài)時頂棚的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線圖
Fig.1 The FRF curve of the original vehicle ceiling

從圖1中，可以明顯的看到頂棚在28.79 Hz，37.34 Hz，45.60 Hz，49.45 Hz這 4 個位置有較為明顯的峰值，考慮這4個頻率是否為頂棚的固有模態(tài)頻率，故再對頂棚進行模態(tài)敲擊試驗.

模態(tài)敲擊試驗同樣選擇的是Siemens公司旗下的LMS測試設(shè)備，采用LMS Test.Lab中Structures Acquisition中的Impact Testing模塊來獲取問題車的原狀態(tài)頂棚模態(tài)參數(shù).測試布置如圖2所示.


圖2 頂棚原狀態(tài)測點分布圖
Fig.2 The entity distribution of the measuring point on the original vehicle ceiling

模態(tài)敲擊測試采用的是移動力錘法測試，頂棚下方布置有2個加速度傳感器，車內(nèi)布置有2個聲學(xué)麥克風(fēng)，在頂棚上標(biāo)記有25個力錘敲擊點，依次使用力錘敲擊25個敲擊點，以此作為激勵源.每當(dāng)敲擊點有激勵輸入時，2個加速度傳感器和麥克風(fēng)就會記錄數(shù)據(jù).測試所得數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到頂棚的前四階固有模態(tài)以及固有陣型如圖3所示.


圖3 頂棚原狀態(tài)的陣型圖
Fig.3 The modal shapes of the original vehicle ceiling

整理數(shù)據(jù)得到表1：

表1 頂棚原狀態(tài)的前四階模態(tài)
Tab.1 The first 4 orders modal of the original vehicle ceiling


表 1表明，頂棚的二階、三階、四階模態(tài)都處在發(fā)動機的二階頻率（36.67 Hz～53.33 Hz）之間，故驗證了之前的猜想：圖 1 中的 FRF 響應(yīng)曲線，頂棚在 28.79 Hz，37.34 Hz，45.60 Hz，49.45 Hz四個位置有較為明顯的峰值，是由于發(fā)動機的諧次頻率與頂棚模態(tài)耦合造成的.即發(fā)動機的二階振動頻率與頂棚的二階、三階、四階模態(tài)耦合，產(chǎn)生共振，是造成車內(nèi)轟鳴聲的原因.

3.3 頂棚優(yōu)化方案

轟鳴聲問題是由于模態(tài)耦合引起的，需要對頂棚進行模態(tài)剛度加強，使頂棚的二階、三階、四階模態(tài)頻率避開發(fā)動機的二階頻率，也就是采用避頻原則［8－9］.而板的振動實際上都是由板的各階模態(tài)線性組合而成.降低板結(jié)構(gòu)的振動的辦法有增加阻尼、增加質(zhì)量和增加板的剛度.對一輛汽車而言，頂棚質(zhì)量不宜太厚，材料也很難更換，在頂棚上敷設(shè)阻尼層也不太實用，故對板進行剛度加強.工程上，提高板結(jié)構(gòu)剛度的方法大致有三種：將板做成階梯狀或者槽型、在板上面沖筋或做成曲面板以及在板上增加支撐結(jié)構(gòu).結(jié)合問題分析，汽車頂棚的優(yōu)化方案采取了在頂棚上沖筋來加強剛度.

3.4 頂棚優(yōu)化后的測試

頂棚沖筋實物如圖4所示.對頂棚進行剛度加強后，先對車進行駐車主觀評價，N擋全油門緩加速，發(fā)現(xiàn)此前的轟鳴聲較原狀態(tài)有明顯的削弱.再對頂棚做模態(tài)敲擊測試，驗證沖筋方案是否真實有效.測試依舊采用力錘移動錘擊法，在頂棚上部布置25個響應(yīng)點，采用LMS PolyMax方法來識別主要模態(tài)參數(shù)，2個參考點加速度傳感器對稱分布，同時車內(nèi)布置有駕駛員右耳處麥克風(fēng)1個、以及后排最右側(cè)乘客左耳處麥克風(fēng)1個.

模態(tài)敲擊測試所得前四階陣型圖如如圖5所示.


圖4 加速度傳感器測點位置
Fig.4 The location of PCB acceleration sensor

圖5 頂棚優(yōu)化后的振形圖
Fig.5 The modal shapes of the optimized vehicle ceiling

整理得頂棚優(yōu)化后的模態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 頂棚優(yōu)化后模態(tài)測試結(jié)果
Tab.2 The modal test results of the optimized vehicle ceilig


從表1、表2頂棚的模態(tài)數(shù)據(jù)前后對比，可以看出頂棚經(jīng)過優(yōu)化后，頂棚的模態(tài)提升非常明顯.其一階模態(tài)頻率基本沒變，而當(dāng)前狀態(tài)二階模態(tài)較原狀態(tài)二階模態(tài)提高了16.38 Hz，已經(jīng)達(dá)到53.55 Hz.三階模態(tài)較原狀態(tài)三階模態(tài)提高了18.73 Hz，已經(jīng)達(dá)到63.91 Hz.四階模態(tài)較原狀態(tài)四階模態(tài)提高了18.36 Hz，已經(jīng)達(dá)到67.68 Hz.同時，各階模態(tài)的阻尼比都有所增加，這對降低汽車頂棚的振動也有一定的貢獻(xiàn).

從表2中同時可以看到，頂棚經(jīng)過加強后，其自身二階、三階、四階固有頻率都不會再與發(fā)動機的二階頻率（36.67 Hz～53.33 Hz）、四階頻率（73.33 Hz～106.66 Hz）耦合，實現(xiàn)了避頻的目的.說明此次頂棚優(yōu)化方案對提高模態(tài)是有效的.理論上車內(nèi)轟鳴聲應(yīng)該已經(jīng)沒有之前明顯，需要對問題車進一步進行路試測試，從客觀數(shù)據(jù)上驗證車內(nèi)噪聲是否得到改良.

依據(jù)原狀態(tài)的測試工況，對優(yōu)化頂棚后的車進行同樣的工況測試，測試所得頂棚優(yōu)化后模態(tài)的FRF曲線與原狀態(tài)FRF曲線對比如圖6所示.


圖6 頂棚優(yōu)化后與原狀態(tài)的FRF曲線對比圖
Fig.6 The FRF curve of optimized vehicle ceiling compared with original one

從圖6中可以清晰的看到，經(jīng)過優(yōu)化后的頂棚模態(tài)與發(fā)動機諧次頻率共振帶明顯往后移頻了，其原始狀態(tài)時，在 28.79 Hz，37.34 Hz，45.60 Hz，49.45 Hz 這四個位置有較為明顯的峰值，而優(yōu)化后，共振峰值處在了 29.98 Hz，54.43 Hz，64.00 Hz，68.76 Hz的位置，從而說明了在客觀數(shù)據(jù)上，對頂棚的優(yōu)化方案也是確實有效的，實現(xiàn)了移頻的目的，避開了與發(fā)動機諧次頻率的共振.

再進一步進行車內(nèi)噪聲的對比，如圖7所示.


圖7 車內(nèi)噪聲對比
Fig.7 The vehicle interior noise comparison

從圖 7 中明顯可以看出，車內(nèi)轟鳴低轉(zhuǎn)速帶從 1 100 r／min～1 600 r／min 縮短到 1 200 r／min～1 550 r／min，同時，在 1 200 r／min 下，車內(nèi)噪聲從 70.00 dB（A）降低到 64.00 dB（A），在 1 550 r／min 時，噪聲從69.50 dB（A）降低到64.61 dB（A），噪聲降低效果比較明顯，再一次從客觀數(shù)據(jù)上驗證了頂棚優(yōu)化方案的可行性.

4 結(jié)論

針對某車型低轉(zhuǎn)速下車內(nèi)轟鳴聲較為嚴(yán)重的問題，通過主觀評價得到初步判定，再輔以客觀試驗測試數(shù)據(jù)，確定問題是由于發(fā)動機二階頻率與頂棚模態(tài)頻率發(fā)生耦合，產(chǎn)生共振.結(jié)構(gòu)力學(xué)理論與實際工作經(jīng)驗相結(jié)合，以避頻原則為基礎(chǔ)，考慮實際情況，對頂棚加上合適的強筋，進行剛度優(yōu)化，提高頂棚模態(tài)，達(dá)到改善車內(nèi)噪聲的目的.可為同類型的汽車頂棚NVH性能優(yōu)化提供一定的參考性.