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整車(chē)路噪仿真及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

2022-02-15 19:08:43·  來(lái)源：汽車(chē)NVH之家  
　
摘要：系統(tǒng)介紹整車(chē)道路噪聲仿真及優(yōu)化技術(shù)在車(chē)輛設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段的應(yīng)用，包括路噪目標(biāo)值設(shè)定方法、高精度整車(chē)模型搭建、逆矩陣法計(jì)算6自由度載荷、整車(chē)路噪仿真、
摘要：系統(tǒng)介紹整車(chē)道路噪聲仿真及優(yōu)化技術(shù)在車(chē)輛設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段的應(yīng)用，包括路噪目標(biāo)值設(shè)定方法、高精度整車(chē)模型搭建、逆矩陣法計(jì)算6自由度載荷、整車(chē)路噪仿真、路噪問(wèn)題診斷FS方法、路噪優(yōu)化案例。提出系統(tǒng)診斷路噪問(wèn)題的“FS”方法，運(yùn)用此方法可系統(tǒng)地對(duì)路噪問(wèn)題分析診斷，快速定位問(wèn)題點(diǎn)。給出“FS”法在某車(chē)型路噪問(wèn)題診斷案例，驗(yàn)證其有效性。
隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)越來(lái)越龐大、越來(lái)越成熟，消費(fèi)者對(duì)車(chē)輛舒適性要求也是越來(lái)越高。車(chē)輛路噪控制水平一直是國(guó)內(nèi)外各大主機(jī)廠非常關(guān)注的一項(xiàng)NVH 性能，它直接影響到乘用車(chē)乘坐舒適性。尤其對(duì)于EV 車(chē)型，因?yàn)槿鄙倭税l(fā)動(dòng)機(jī)的遮掩效應(yīng)，其路噪問(wèn)題更加凸顯。
國(guó)內(nèi)主機(jī)廠在設(shè)計(jì)階段對(duì)路噪性能關(guān)注得比較少，究其原因是設(shè)計(jì)階段路噪開(kāi)發(fā)能力有限。國(guó)內(nèi)路噪開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在試驗(yàn)樣車(chē)調(diào)教，樣車(chē)調(diào)教過(guò)程中涉及到的問(wèn)題點(diǎn)往往包含車(chē)身骨架、車(chē)身大板件、前后副車(chē)架、擺臂、連接襯套等，但這些部件后期進(jìn)行設(shè)計(jì)變更難度極大，如車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更會(huì)影響到周邊搭接部件以及會(huì)帶來(lái)一些布置沖突問(wèn)題，底盤(pán)襯套剛度的調(diào)整又會(huì)影響到車(chē)輛操穩(wěn)性能。因此在設(shè)計(jì)階段建立路噪分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化的方法顯得尤為必要，應(yīng)力爭(zhēng)在設(shè)計(jì)階段解決路噪問(wèn)題。
 
 
 
 
 
圖1 某EV車(chē)路噪能量占比
 
本文介紹了設(shè)計(jì)階段搭建高精度路噪仿真模型的關(guān)鍵點(diǎn)、路噪目標(biāo)值設(shè)定方法及軸頭載荷獲取方法，并提出了路噪診斷“FS”方法，給出了某款車(chē)型路噪診斷優(yōu)化案例。本文仿真模型基于有限元理論，路噪分析頻率限定為20 Hz～300 Hz。
1 路噪仿真及問(wèn)題識(shí)別方法
設(shè)計(jì)階段路噪仿真主要是整車(chē)及子系統(tǒng)路噪相關(guān)仿真分析優(yōu)化。子系統(tǒng)仿真分析主要是對(duì)路噪影響較大的部件進(jìn)行模態(tài)分析，使模態(tài)合理地分布，此工作國(guó)內(nèi)開(kāi)展相對(duì)成熟，本文不做過(guò)多介紹。整車(chē)路噪仿真分析優(yōu)化一般從TG1 階段開(kāi)展，至TG2階段結(jié)束，涉及工作包括路噪分析目標(biāo)值設(shè)定、整車(chē)路噪仿真模型搭建、路噪載荷獲取、路噪分析計(jì)算、診斷、優(yōu)化。
1.1 整車(chē)路噪有限元分析理論介紹
整車(chē)路噪有限元分析理論基礎(chǔ)是聲振耦合有限元法，搭建整車(chē)和乘員艙聲腔有限元模型，耦合整車(chē)和聲腔模型求解駕駛員耳朵位置聲壓級(jí)。用空氣單元形函數(shù)及聲學(xué)波動(dòng)方程，可導(dǎo)出聲腔有限元狀態(tài)方程(1)，類(lèi)似可導(dǎo)出結(jié)構(gòu)振動(dòng)有限元方程(2)
 
 
 
 
式(1)中：[ Mep ][ Cep ][ Kep]ρ[ Re]T 分別為空氣質(zhì)量矩陣、空氣阻尼矩陣、空氣剛度矩陣和結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合質(zhì)量矩陣。{ pe }為空氣單元節(jié)點(diǎn)聲壓向量，Ue 為節(jié)點(diǎn)位移向量。式(2)中，[ Me ]、[ Ce ]、[ Ke ]、{ Fe }分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、結(jié)構(gòu)阻尼矩陣、結(jié)構(gòu)剛度矩陣和結(jié)構(gòu)外激勵(lì)，{ F }Per為界面聲壓向量。將乘員艙聲腔和整車(chē)有限元方程聯(lián)立得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)-聲腔耦合有限元方程組，求解此方程組可以得到駕駛員耳朵位置路噪。
1.2 路噪目標(biāo)線設(shè)定
設(shè)定路噪分析目標(biāo)值時(shí)應(yīng)該對(duì)所采用的試驗(yàn)場(chǎng)、路面、車(chē)輛運(yùn)行速度及狀態(tài)、測(cè)量位置做出明確的說(shuō)明，因?yàn)檫@些因素對(duì)路噪影響很大，影響到路噪目標(biāo)值的設(shè)定。路噪評(píng)價(jià)可使用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)粗糙瀝青路、光滑瀝青路或刻槽水泥路，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠通常根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選擇相應(yīng)路面進(jìn)行評(píng)價(jià)。
 
 
 
 
 
圖2 試驗(yàn)場(chǎng)粗糙路面
 
目標(biāo)值可以在線性譜中設(shè)定也可以在1/3 倍頻程內(nèi)設(shè)定，本文采用線性譜方式。目標(biāo)值設(shè)定要綜合標(biāo)桿車(chē)型路噪水平、設(shè)計(jì)車(chē)型路噪性能定位、路噪控制趨勢(shì)等因素。如某車(chē)型以車(chē)輛60 km/h 在通縣試驗(yàn)場(chǎng)粗糙路勻速行駛時(shí)駕駛員右耳聲壓級(jí)進(jìn)行路噪評(píng)價(jià)，目標(biāo)線設(shè)定如圖3所示。
 
 
 
 
 
圖3 某車(chē)型路噪目標(biāo)線
 
1.3 高精度整車(chē)模型搭建
車(chē)身、底盤(pán)甚至動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)路噪都有影響，為了準(zhǔn)確計(jì)算出這些部件的影響，分析模型要包含這些部件，故需要搭建整車(chē)模型進(jìn)行分析計(jì)算，某項(xiàng)目搭建的整車(chē)模型及乘員艙內(nèi)聲腔模型如圖4和圖5所示。
 
 
 
 
 
圖4 某整車(chē)模型
 
 
 
 
 
圖5 某乘員艙聲腔模型
 
整車(chē)模型復(fù)雜度高，其精度對(duì)路噪分析結(jié)果影響很大，為了保證模型精度，整車(chē)建模過(guò)程需要注意以下問(wèn)題：
Ø 整車(chē)模型質(zhì)量需要與設(shè)計(jì)值標(biāo)定，誤差小于15 kg；
Ø 乘員艙聲腔與周?chē)诎遒N合度要好，否則壁板振動(dòng)無(wú)法傳遞至聲腔；
Ø 底盤(pán)與車(chē)身連接襯套動(dòng)剛度和阻尼與設(shè)計(jì)值嚴(yán)格對(duì)應(yīng)；
Ø 各球鉸、傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)等自由度釋放正確。
某車(chē)在北京通縣試驗(yàn)場(chǎng)光滑瀝青路面以60 km/h 勻速行駛，采集駕駛員右耳聲壓級(jí)評(píng)價(jià)路噪，圖6為路噪實(shí)測(cè)值和仿真值對(duì)比，主要峰值在仿真模型都得到了反映，并且聲壓級(jí)差值小于4 dB，精度滿足工程要求。
 
 
 
 
 
圖6 某車(chē)路噪實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比
 
1.4 路噪載荷獲取方法
整車(chē)級(jí)別路噪分析載荷可以是軸頭載荷也可以是路面不平度激勵(lì)，如果采用路面不平度激勵(lì)需要搭配模態(tài)輪胎和虛擬試驗(yàn)場(chǎng)使用，本文主要介紹軸頭激勵(lì)的獲取方法。懸架系統(tǒng)是多輸入多輸出的線性系統(tǒng)[5]，輸入X 是軸頭對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的激勵(lì)載荷，輸出Y是轉(zhuǎn)向結(jié)上測(cè)點(diǎn)振動(dòng)，H(ω)是載荷和振動(dòng)之間的傳遞矩陣，對(duì)于穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，如果輸入是隨機(jī)并且部分耦合的，系統(tǒng)的響應(yīng)也具有隨機(jī)性和耦合性，輸入和輸出功率譜密度矩陣的形式分別表達(dá)成Gxx(ω)和Gyy(ω)，輸入和輸出之間的關(guān)系如下
 
 
 
 
式中H(ω)H 是H(ω)共軛轉(zhuǎn)置矩陣，當(dāng)輸出Gyy(ω)和傳遞矩陣H(ω)已知后，輸入Gxx(ω)可以計(jì)算出來(lái)。在試驗(yàn)車(chē)每個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)上選取4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行路噪試驗(yàn)，采集每個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度，可獲得轉(zhuǎn)向節(jié)測(cè)點(diǎn)加速度輸出矩陣Gyy(ω)，通過(guò)整車(chē)有限元模型計(jì)算得到傳遞矩陣H(ω)，軸頭作為激勵(lì)點(diǎn)其6自由度載荷可通過(guò)式(4)得到。某車(chē)選取的左前懸架轉(zhuǎn)向節(jié)4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置如圖7(黃色)圓圈所示。
 
 
 
 
 
圖7 左前懸架振動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)位置
 
1.5 路噪問(wèn)題診斷FS法
具備整車(chē)模型和載荷后，可通過(guò)仿真計(jì)算得到路噪。路噪仿真分析常見(jiàn)問(wèn)題是駕駛員或乘員耳朵位置聲壓級(jí)曲線在某個(gè)頻率未達(dá)到目標(biāo)，由于路噪問(wèn)題涉及的子系統(tǒng)多、載荷傳遞路徑多，所以問(wèn)題識(shí)別起來(lái)非常復(fù)雜。本文提出一種“FS(Fast System)”診斷方法，使用此方法可以快速地、系統(tǒng)地診斷出路噪問(wèn)題，此方法使用過(guò)程如圖8所示。
 
 
 
 
 
圖8 路噪診斷方法
 
2 路噪問(wèn)題優(yōu)化案例
2.1 問(wèn)題描述
某車(chē)型在路噪開(kāi)發(fā)過(guò)程中，以通縣試驗(yàn)場(chǎng)光滑瀝青路作為評(píng)價(jià)道路，車(chē)速60 km/h，評(píng)價(jià)駕駛員右耳計(jì)權(quán)(A)聲級(jí)，以標(biāo)桿車(chē)型相對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果作為目標(biāo)值，仿真結(jié)果表明開(kāi)發(fā)車(chē)型駕駛員右耳聲級(jí)在90 Hz超過(guò)目標(biāo)值，如圖9所示，需診斷及優(yōu)化。
 
 
 
 
 
圖9 開(kāi)發(fā)車(chē)型駕駛員右耳聲壓級(jí)
 
2.2 問(wèn)題診斷
使用路噪診斷FS方法，先進(jìn)行車(chē)身側(cè)傳遞路徑分析，之后進(jìn)行車(chē)身側(cè)NTF、模態(tài)分析，最后進(jìn)行底盤(pán)側(cè)隔振率、懸架模態(tài)分析，最終鎖定90 Hz路噪問(wèn)題原因，具體診斷步驟如下：
步驟1：90 Hz傳遞路徑分析
對(duì)此車(chē)進(jìn)行車(chē)身側(cè)傳遞路徑分析，圖10可知1 510（右前減振器安裝點(diǎn)）+Z路徑貢獻(xiàn)度最大，此傳遞路徑貢獻(xiàn)度大可能是此路徑載荷過(guò)大引起的，也可能是此路徑車(chē)身NTF(噪聲傳遞函數(shù))過(guò)大引起的。
 
 
 
 
 
圖10 傳遞路徑貢獻(xiàn)度
 
圖11是各激勵(lì)通道載荷圖，雖然2 540（右前擺臂前安裝點(diǎn)）+Y 通道載荷最大，但此傳遞路徑貢獻(xiàn)度不高，說(shuō)明此路徑NTF 很小，這點(diǎn)從圖12各通道NTF幅值圖中可以得到證明。1 510(+Z)載荷明顯高于除2 540(+Y)的其它路徑，表明底盤(pán)側(cè)存在設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致載荷傳遞不均。圖12可見(jiàn)車(chē)身側(cè)1 510(+Z)NTF幅值在59 dB，符合車(chē)身對(duì)NTF的一般要求，但仍需進(jìn)一步確認(rèn)90 Hz 此路徑NTF 是否有峰值，如果沒(méi)有峰值，則可確認(rèn)車(chē)身不是導(dǎo)致路噪90 Hz 峰值的原因。
 
 
 
 
 
圖11 各激勵(lì)通道載荷
 
 
 
 
 
圖12 各通道NTF幅值
 
步驟2：車(chē)身側(cè)NTF分析
計(jì)算1 510（右前減振器安裝點(diǎn)）+Z向NTF，結(jié)果如圖13所示，可知90 Hz頻率位置曲線存在峰值，說(shuō)明此頻率車(chē)身可能存在共振。
步驟3：車(chē)身模態(tài)分析
90 Hz 模態(tài)如圖14所示，振型模式及NTF 的PSA 診斷結(jié)果均表明對(duì)車(chē)內(nèi)聲壓級(jí)影響最大共振位置為前風(fēng)擋流水槽區(qū)域。
圖15顯示了右前減振器頂部襯套主被動(dòng)側(cè)加速度振動(dòng)級(jí)，可見(jiàn)襯套在整個(gè)頻域內(nèi)基本沒(méi)有隔振能力，此襯套Z向動(dòng)剛度參考標(biāo)桿車(chē)試驗(yàn)而來(lái)，設(shè)計(jì)值10 000 N/mm，和數(shù)據(jù)庫(kù)中此位置襯套剛度對(duì)比明顯偏高，數(shù)據(jù)庫(kù)中此襯套Z 向動(dòng)剛度設(shè)計(jì)值一般在1 500 N/mm左右，動(dòng)剛度偏高可能是隔振能力不足的原因。
 
 
 
 
 
圖13 右前減振器Z向NTF
 
 
 
 
 
圖14 模態(tài)振型
 
 
 
 
 
圖15 主被動(dòng)側(cè)加速度振動(dòng)級(jí)
 
步驟4：襯套隔振率分析
步驟5：前懸架模態(tài)分析
前懸架90 Hz存在模態(tài)，如圖16所示，左右減振器的主要振動(dòng)模式是沿簡(jiǎn)桿方向上下運(yùn)動(dòng)。
步驟6：診斷總結(jié)
通過(guò)FS法診斷，結(jié)論如下：
(1)前懸架存在90 Hz 模態(tài)，此模態(tài)運(yùn)動(dòng)模式為沿著減振器簡(jiǎn)桿方向上下運(yùn)動(dòng)，此模態(tài)會(huì)加大減振器襯套主動(dòng)端振動(dòng)；
(2)前懸架頂部減震橡膠剛度較大，沒(méi)有起到振動(dòng)衰減作用，造成傳遞到車(chē)身的載荷較大；
 
 
 
 
 
圖16 前懸架90 Hz模態(tài)
 
(3)車(chē)身90 Hz 模態(tài)前風(fēng)擋和流水槽相對(duì)位移大，與聲腔耦合，產(chǎn)生NTF峰值，加劇了路噪。
2.3 方案及效果
方案1：優(yōu)化襯套動(dòng)剛度
優(yōu)化前減振器頂部襯套剛度至數(shù)據(jù)庫(kù)中某款車(chē)型數(shù)據(jù)，如表1所示。
表1 某款車(chē)前減振器頂部襯套剛度
 
 
 
 
 
 
方案1效果如圖17所示，路噪響應(yīng)曲線在90 Hz位置降低了3 dB，基本達(dá)到目標(biāo)要求。
 
 
 
 
 
圖17 方案1效果
 
方案2：優(yōu)化流水槽支架
在方案1基礎(chǔ)上優(yōu)化流水槽加強(qiáng)支架，加強(qiáng)2號(hào)支架，增加3 號(hào)支架，3 號(hào)支架厚度1.2 mm，如圖18所示。優(yōu)化后路噪響應(yīng)曲線在90 Hz 位置相對(duì)于方案1降低2 dB，優(yōu)于目標(biāo)要求，結(jié)果如圖19所示。
 
 
 
 
 
圖18 方案2
 
 
 
 
 
圖19 方案2效果
3 結(jié)語(yǔ)
本文系統(tǒng)介紹了整車(chē)路噪仿真和優(yōu)化技術(shù)在車(chē)輛NVH 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，提出了路噪診斷的FS方法，并通過(guò)路噪診斷優(yōu)化案例驗(yàn)證了FS方法有效性。本文所介紹的路噪相關(guān)理論、方法，不僅可以用于乘用車(chē)NVH 性能開(kāi)發(fā)，也可以用商用車(chē)NVH性能開(kāi)發(fā)，為相關(guān)工程師提供借鑒參考。
作者：陳 釗1，霍俊焱2，吳星晨2，鄧江華2，王海洋2；1.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限責(zé)任公司，2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司
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