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吉利 | 某SUV尾門系統(tǒng)對路噪轟鳴的測試分析與優(yōu)化

2022-01-24 23:15:21·  來源：AUTO行家  
　
在開發(fā)過程中，尾門系統(tǒng)作為重要的整車子系統(tǒng)部件，提前識別尾門系統(tǒng)導(dǎo)致的低頻轟鳴聲極為重要。本文以某SUV車型低頻轟鳴噪聲問題為案例，通過主觀評價和客觀數(shù)
在開發(fā)過程中，尾門系統(tǒng)作為重要的整車子系統(tǒng)部件，提前識別尾門系統(tǒng)導(dǎo)致的低頻轟鳴聲極為重要。本文以某SUV車型低頻轟鳴噪聲問題為案例，通過主觀評價和客觀數(shù)據(jù)分析，結(jié)合提出的物理模型闡述了尾門系統(tǒng)導(dǎo)致的低頻轟鳴的機理原理，從尾門密封系統(tǒng)方向提出了具體工程化措施。通過小批量驗證測試，確認了方案的有效性和穩(wěn)健性，對后續(xù)SUV車型尾門系統(tǒng)相關(guān)的NVH性能開發(fā)，有重要的工程指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：尾門系統(tǒng)；轟鳴噪聲；聲固耦合；NVH
作者：董海威 張軍 周禾清 李德水 李燕
單位：吉利汽車研究院（寧波）有限公司
引言
近年來，隨著用戶對汽車認知的深入，對車輛性能要求也越來越高，汽車NVH的挑戰(zhàn)不斷加大。各大汽車生產(chǎn)商及相關(guān)零部件供應(yīng)商均加大對NVH的研發(fā)。特別地，車內(nèi)的低頻轟鳴聲會給駕乘者帶來主觀上明顯的壓耳感，心理上易引起焦躁不安的情緒，甚至頭暈惡心的身體反應(yīng)，這種情況，在NVH開發(fā)中需要更加重視。
國內(nèi)吉林大學(xué)趙榮寶等較早地概括了聲固耦合的理論方法，綜合指出車身結(jié)構(gòu)振動與車內(nèi)輻射引起主要的低頻噪聲，車內(nèi)吸聲材料針對中高頻噪聲有改善，但是低頻改善不明顯。西南交通大學(xué)的閆兵針對某車型傳動系扭振引起的車內(nèi)轟鳴聲問題，經(jīng)大量試驗研究發(fā)現(xiàn)減速器的振動激勵與車內(nèi)空腔模態(tài)耦合是產(chǎn)生車內(nèi)轟鳴聲的主要原因，并通過增加扭振減振器和雙質(zhì)量飛輪，降低激勵源改善了車內(nèi)轟鳴噪聲。劉元德等針對樹脂材料尾門，初步明確了尾門緩沖塊對尾門模態(tài)及轟鳴聲性能的影響規(guī)律和幅度，指出了尾門緩沖塊的硬度、安裝位置及工藝對轟鳴聲的影響。
本文介紹了某SUV車型尾門引起的路噪低頻轟鳴排查與測試分析過程，系統(tǒng)闡述了尾門導(dǎo)致車內(nèi)低頻轟鳴原理，并根據(jù)實際工程開發(fā)，提出具體可行的工程化措施，這對于提升尾門系統(tǒng)NVH性能開發(fā)有重要的工程指導(dǎo)意義。
01、路面低頻轟鳴的振動分析過程
路面激勵由不同路徑傳遞，輪胎、輪輞、轉(zhuǎn)向節(jié)、前后懸架、副車架等，作用于車身的前風(fēng)擋、頂蓋、尾門等響應(yīng)端，最終駕駛員或車內(nèi)乘客感知到轟鳴噪聲。尾門系統(tǒng)作為整車重要的開閉件系統(tǒng)，模態(tài)與整車模態(tài)、車內(nèi)空腔模態(tài)接近，若未合理設(shè)計避頻，在激勵下易產(chǎn)生聲固耦合問題導(dǎo)致車內(nèi)轟鳴嚴重。因此，前期設(shè)計開發(fā)中，對于尾門系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定尤為重要。
低頻轟鳴問題分析識別
某SUV車型小批量生產(chǎn)階段，同批次多車輛出現(xiàn)較明顯的路噪轟鳴聲問題，主觀評價存在鼓膜壓迫感。針對此問題，我們首先進行實車主要問題工況的主觀評價及分析識別。經(jīng)反復(fù)評估對比，在粗糙路面勻速60Km/h行駛，車內(nèi)存在低頻壓耳的轟鳴聲，且發(fā)現(xiàn)同配置同問題工況車輛的低頻轟鳴大小不同，這可能涉及具體量產(chǎn)工藝及制造偏差。
客觀數(shù)據(jù)測試
使用LMS系統(tǒng) SCADAS振動噪聲數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集車內(nèi)駕駛員左耳和后排座椅右座右耳的聲音信號，設(shè)置的分析帶寬為20480 Hz，頻率分辨率為1Hz。測試工況為粗糙路勻速60kph行駛，并與兩輛競品車進行路噪數(shù)據(jù)對比。
經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)：（1）此SUV車型前排存在33Hz左右的低頻轟鳴噪聲峰值，1/3倍頻程數(shù)據(jù)顯示為52.3dB，高于競品車6dB左右，主觀評價在前排位置低頻轟鳴壓耳感明顯，如圖1（a）；（2）對比前后排車內(nèi)低頻轟鳴，后排小于前排，與主要競品車相當，如圖1（b），此問題需重點關(guān)注。
（a）主駕左耳噪聲

（b）后排右座右耳噪聲
圖1 粗糙路勻速60kph車內(nèi)噪聲
02、基于方案驗證的仿真及試驗分析
仿真分析識別
針對33Hz頻率的路噪轟鳴，計算車身板金件包括車身前后地板鈑金件、玻璃等對車內(nèi)低頻轟鳴聲主要貢獻量。
圖2是仿真計算得到的主駕左耳噪聲；圖3為仿真識別到的主要鈑金件貢獻量。根據(jù)仿真分析結(jié)果，進一步明確尾門系統(tǒng)是導(dǎo)致當前轟鳴的主要問題部件。

圖2 仿真計算主駕左耳噪聲
圖3車身33Hz鈑金件貢獻量識別
基于響應(yīng)端的擾動試驗法
在尾門內(nèi)鈑金中間位置，如圖4所示，螺接頻率33Hz重量1kg的吸振器，作用方向為垂直于尾門鈑金，整車X向。吸振器的原理是在振動物體上附加質(zhì)量彈簧共振系統(tǒng)，吸振器反相位振動，減小特定頻率下尾門本體振動的作用，從而降低固聲耦合的幅值。
圖4 尾門內(nèi)鈑金位置（紅圈）增加吸振器
如圖5所示，經(jīng)實車評測及主觀駕評，車內(nèi)轟鳴噪聲改善明顯，基本可以接受。通過在尾門系統(tǒng)中增加吸振器方案，降低尾門本體振動，改善車內(nèi)低頻轟鳴聲，但這也會導(dǎo)致尾門系統(tǒng)重新匹配開發(fā)設(shè)計及試驗驗證調(diào)教，增加開發(fā)成本及開發(fā)周期，推遲整車交付時間。
（a）前排主駕左耳噪聲
（b）后排右座右耳噪聲
圖5 尾門增加吸振器狀態(tài)勻速60kph噪聲結(jié)果對比
車內(nèi)聲固耦合的調(diào)整驗證
在激勵源的不變的情況下，通過改變車內(nèi)聲固耦合形式，降低聲壓幅值來改善車內(nèi)轟鳴。當結(jié)構(gòu)空間一定時，空腔模態(tài)是固定模態(tài)頻率無法改變。公式（1）為空腔模態(tài)的計算公式，

其中Lx,Ly,Lz為結(jié)構(gòu)空間X,Y,Z向的長度，Nx,Ny,Nz為對應(yīng)結(jié)構(gòu)空間的空腔模態(tài)。我們可以通過調(diào)整尾門密封系統(tǒng),例如緩沖塊、限位塊、密封條等密封橡膠件的剛度值，結(jié)構(gòu)不變時取決于橡膠的硬度，如圖6所示，兩種不同硬度的尾門緩沖墊的力-位移曲線。這樣通過尾門模態(tài)增大或減小，改變聲固耦合形式。

圖6尾門緩沖墊力-位移曲線
下面進行70HA和45HA兩種緩沖墊硬度的測試，測試尾門模態(tài)頻率、振型及尾門反力，具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 （a）緩沖墊70硬度尾門的振型及模態(tài)

圖7 （b）緩沖墊45硬度尾門的振型及模態(tài)
如表1所示，測試結(jié)果表明尾門反力可表征尾門約束模態(tài)，兩者之間存在強關(guān)聯(lián)性。
對比測試兩種狀態(tài)的車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)及尾門振動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)更換45°的尾門緩沖墊，車內(nèi)低頻轟鳴峰值降低明顯，如圖8(a)，車內(nèi)噪聲峰值降低6.7dB，滿足了整車量產(chǎn)的要求。進一步分析，問題噪聲峰值頻率從34.7Hz移到29.9Hz，對應(yīng)的尾門振動峰值頻率從33.9Hz移到25.3Hz，如圖8(b)，但是尾門振動幅值基本相當，其中振動布點位置為尾門外鈑金幾何中心位置。

（a）主駕左耳噪聲結(jié)果對比
（b）尾門振動結(jié)果對比
圖8勻速60kph兩種緩沖墊硬度測試數(shù)據(jù)
從而可以推斷，尾門振動與聲腔振動的聲固耦合形式發(fā)生變化，導(dǎo)致車內(nèi)轟鳴改善明顯。因此，需進一步對聲固耦合的機理原理進行分析。
03、尾門系統(tǒng)低頻轟鳴的原理分析
尾門系統(tǒng)關(guān)鍵子部件
研究尾門系統(tǒng)引起的車內(nèi)低頻轟鳴問題，首先對尾門系統(tǒng)的各個子部件進行深入剖析，確定與NVH內(nèi)部屬性的關(guān)聯(lián)性，如圖9所示。
圖9 尾門子部件與NVH屬性的關(guān)聯(lián)示意圖
經(jīng)識別尾門彈性模態(tài)引起的聲固耦合問題，在尾門框架基本確定的情況下，通過調(diào)整內(nèi)部撐板及內(nèi)外鈑金件的厚度等參數(shù)，增加內(nèi)外鈑金的剛度等。
對于尾門系統(tǒng)剛體模態(tài)引起的聲固耦合問題，調(diào)整尾門密封系統(tǒng)（密封條、緩存塊、限位塊等）剛度值等參數(shù)，或者其配合公差調(diào)整?？梢杂行д{(diào)整尾門模態(tài)來改變聲固耦合形式，改善車內(nèi)低頻轟鳴。通過調(diào)整尾門反力的大小，來快速調(diào)整尾門模態(tài)。同時NVH內(nèi)部屬性平衡，評估改變尾門反力導(dǎo)致的關(guān)門聲品質(zhì)、異響及尾門漏聲等問題。
聲固耦合模型的建模理論基礎(chǔ)
整車車身包括大部分沖壓后的鋼板經(jīng)過焊接后組成的車身框架，及車身玻璃或者樹脂及其它材料的尾門等，均為非理想剛體。當車身結(jié)構(gòu)受到外界激勵時，路面激勵或動力總成激勵，發(fā)生振動壓迫車內(nèi)聲腔，導(dǎo)致車內(nèi)聲壓分布的變化。
同樣的，當車內(nèi)聲壓發(fā)生變化時也會反作用于車身結(jié)構(gòu)，激起車身板件的振動，車身結(jié)構(gòu)與聲腔之間發(fā)生相互作用，這就形成了車內(nèi)的聲固耦合系統(tǒng)，如圖10所示，其中K、C表征的主要是尾門系統(tǒng)的緩沖塊、限位塊、密封條、限位鎖的特性。。對比SUV車型，三廂轎車的后備箱尾門接近平行與下車體，因此尾門振動引起的聲壓變化無法形成聲固耦合，導(dǎo)致車內(nèi)低頻轟鳴（如圖11）。
通常在低頻范圍內(nèi)的耦合作用很明顯，這種低頻的耦合模態(tài)在接近其模態(tài)頻率的激勵下會使車身內(nèi)部的某些區(qū)域聲壓明顯升高，產(chǎn)生強烈的低頻轟鳴響應(yīng)。特別是尾門系統(tǒng)，在完全閉合狀態(tài)下，依然存在相對其它車身部件較大的縱向位移。
考慮阻尼效應(yīng)，車身的結(jié)構(gòu)模型可以表示為：
其中，表示未受到約束部分的質(zhì)量矩陣，表示未受到約束部分的剛度矩陣，表示未受到約束部分的剛度矩陣，表示施加在結(jié)構(gòu)上的外力矢量。
同理，車內(nèi)聲壓的模型可表示為：

考慮聲壓對結(jié)構(gòu)的影響，動力學(xué)方程可以表示為：
式中，表示剛度耦合矩陣，表示載荷激勵。
慮結(jié)構(gòu)振動對聲腔的影響，聲學(xué)方程可以表示為，

其中，表示耦合剛度矩陣，表示激勵載荷。
最后可以得到兩者的耦合方程：

簡化為一維長方體聲場分析
對于實車的聲固耦合情況極為復(fù)雜，為問題便于解析，暫不考慮乘員艙儀表板、座椅布置及其它聲學(xué)包材料的影響，同時對于后備箱可能起到空腔共鳴器的作用也進行簡化。模型簡化為兩端閉合的一維的長方體聲場，如圖12。
圖12 簡化的一維的聲固耦合模型
聲波在一維空間進行傳播，Mx表示一階振型，中間波形為波谷面，兩端封閉端為波峰面。如圖13所示。對于SUV車型的空間布局，前排及后備箱位置位于波峰面，后排位于波谷面位置。以此簡化分析，尾門導(dǎo)致的低頻轟鳴往往前排噪聲大于后排。

圖13 聲波在一維空間傳播的模型


04、尾門系統(tǒng)控制工程化措施
在整車開發(fā)過程中，不僅要考慮NVH屬性，而且要滿足各屬性開發(fā)要求才能保證開發(fā)節(jié)點順利量產(chǎn)。本次尾門緩沖墊硬度從70°調(diào)整為45°，剛度從135N/mm調(diào)整為46N/mm。需要再進行尾門系統(tǒng)的耐久疲勞分析，道路異響確認。例如緩沖塊硬度降低后，惡劣道路時尾門鎖扣在異響出現(xiàn)的概率會變大。同時均衡NVH各個工況，包括怠速、小油門加速、中大油門加速的轟鳴噪聲問題。對于純電動車后驅(qū)開發(fā)，要設(shè)定合理的模態(tài)分布表，特別與后懸架電機的剛體模態(tài)進行合理避頻。
同時考慮到基地總裝工藝過程控制及尾門面差等的外觀要求，實車檢測批量生產(chǎn)時尾門反力實測力值存在一定的波動性，間接反映出尾門模態(tài)存在的波動性。這也是問題確認時，小批量樣車路噪轟鳴存在偏差波動。所以，結(jié)合項目及工程實際，最終鎖定緩沖墊橡膠硬度50°，同時通過檢控尾門反力來確保尾門模態(tài)在合理區(qū)間。
05、結(jié)論
針對某SUV車型存在的車內(nèi)低頻轟鳴聲問題，通過激勵源、傳遞路徑及響應(yīng)端的排查，結(jié)合聲固耦合的機理原理，重點對響應(yīng)端尾門系統(tǒng)進行深入分析研究。
(1) 通過尾門增加吸振器可改善尾門引起的低頻轟鳴噪聲，考慮到尾門系統(tǒng)的需要各個屬性的平衡，建議在前期開發(fā)設(shè)計中進行預(yù)留；
(2) 尾門緩沖墊對于改變模態(tài)起到及其重要的作用，鑒于聲固耦合導(dǎo)致低頻轟鳴的復(fù)雜性，類似底盤襯套等橡膠件，尾門緩沖墊納入后期DOE調(diào)教的重要部件；
(3) 尾門模態(tài)作為性能設(shè)計的重要管控參數(shù)，同時必須考慮聲固耦合對車內(nèi)低頻轟鳴的影響。通過試驗及仿真結(jié)合的方法，對于低頻轟鳴問題，可以快速準確的鎖定導(dǎo)致車內(nèi)低頻轟鳴的關(guān)鍵部件。
張軍（通訊作者）
男，博士，正高級工程師，主要研究方向，汽車NVH性能開發(fā)。
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