整车NVH结构噪声子系统设计方法研究

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【摘要】提出一种研发初期中频室内结构噪声设计方法，根据数字“骡子样车”和参考样车模型有限元仿真结果，确定主要传递路径的结构噪声根源并设置相应子系统NVH性能目标，通过子系统性能的提高实现整车目标。最后通过动力总成结构噪声设计实例验证了子系统设计方法的有效性。

【关键词】声学；NVH；结构噪声；有限元仿真

随着汽车市场竞争加剧，提高产品开发品质缩短开发周期成为汽车研发的必然趋势。现代整车研发周期不断缩短，传统的样车试验和设计循环研发模式已被淘汰，前沿的CAE技术使数字样机仿真完全代表样车试验并在样车试制前对各种性能进行改进。与实车测试相比CAE仿真成本较低且对顾客需求、设计要求和各类约束反应迅速，能够平衡考虑汽车各种性能实现最优设计。

NVH仿真分析需要详细的整车有限元模型包括悬架、动力总成、车身等系统以描述各个系统间的相互作用，预测感兴趣频域内的响应。汽车结构噪声NVH性能分析包括50 Hz以内的低频振动，30～100 Hz频域内的低频噪声和500 Hz内的中高频噪声。50 Hz内的低频NVH性能只包含一些基本的整车模态参数、白车身刚度等性能指标，因此求解效率较高，而对于50 Hz以上的中高频域，由于模态密集，噪声传递路径众多，成为NVH目标制定与分析最困难领域。本文阐述了新产品开发阶段使用有限元仿真进行整车NVH结构噪声控制的基本过程，重点叙述50～180 Hz频域内结构噪声传递路径分析时子系统目标的制定与实现方法并通过设计实例证明了结构噪声子系统设计方法的有效性。

1 整车NVH改进目标设定

1．1 总体NVH目标制定

NVH目标制定同新车型的市场定位密切相关，典型的目标设计团队包括设计师、NVH专家和职业驾驶员嘲，设计目标是确定出使新车型在市场同类产品竞争中脱颖而出的NVH特性，这主要通过对市场中有竞争力的车型进行NVH品质对标实现。

同SAE主观评价标准类似，NVH目标制定过程中也通常采用十分制对NVH性能分级，而样车和设计产品的性能需要通过试验测试进行评价和量化。基于人体对振动噪声水平的反应，主观等级转化为客观测量值的方法参见表1。表中公式体现了主观等级与振动速度和A计权声压级的关系。

1．2 样车模型建立及仿真

在现有的NVH仿真技术水平下，模拟分析的最大用途是趋势预测而并非具体数值的获取。根据KomDella和Bemhard对99辆某款suv的试验研究，室内结构噪声的试验误差在40～150 Hz内为10 dB，150～500 Hz内则高达20 dB。有限元模型同实际样车相比，不存在制造和装配误差，只是网格划分和模拟方法存在差异，仿真精度可通过制定仿真标准进行控制。仿真模型的置信度可由仿真结果是否在试验误差范围内确定。设计初期新车NVH能分级和目标实现程度的判定是基于仿真分析，因此需要详细的参考样车有限元模型并要求其能正确预测NVH特性趋势。

NVH仿真目标设定的挑战在于设计开始阶段没有足够CAD数据建立准确的有限元模型，而目标设定模型必须与参考样车模型同样精确，因此骡子样车模型通常采用已有有限元模型拼凑而成。数字骡车中的部件不管其来源如何都必须能够模拟实际部件，且为提取有效目标值，数字骡车应当包含初始设计意图。研发初始阶段，设计方案只包含一些整车配置基本信息如前后悬架和转向系统布置、动力总成配置等。通常动力传动／悬架系统是根据布置形式和整车操纵特性固定于车身，其连接点决定了噪声传递路径，根据这些数据便可进行骡车合成。

通过仿真进行NVH性能评估和目标设定是数字“骡子样车”合成的主要目的。由于开发流程的时间限制，仅能进行一轮的数字骡车合成来设定NVH目标，因此数字骡车模型应确保子系统噪声传递路径有好的NVH特性。通过带有内饰的车身模型分析，确保车身子系统一些关键传递路径满足最低性能指标。最后进行底盘和动力总成组建，装配完成后的骡车模型应当与参考样车模型同样详细。

利用建立的骡子样车在各种NVH载荷工况下进行室内噪声仿真并将分析结果与设定目标比较，便可确定每个工况下需要的总体NVH性能改进目标。

2 子系统NVH目标设定与改进

2．1子系统目标设定

"骡子样车"的总体NVH性能水平确定后，下一步是确定子系统改进目标。与整车模型相比，采用子系统进行设计可以确保找到噪声根源，通过设定子系统目标能够更迅速有效的控制结构噪声。设计过程中由于多种性能约束条件制约，某一子系统目标有时很难实现，这可通过适当提高另一个子系统目标的方法加以补偿。对车身子系统，目标设定主要是控制局部载荷作用下的声灵敏度，动力总成、悬架等子系统目标设定主要是限制其在连接点的位移。

子系统目标设定过程如图1，首先在每个工况下将骡车仿真室内噪声结果与整车NVH目标比较，确定需要改进的频域。第二步是进行噪声传递路径分析并对各条路径贡献排序确定最主要的传递路径，明确每条路径的噪声根源。第三步是设定子系统目标以减少主要路径的贡献，并尽量使每条路径的贡献平均分布。最后通过各了系统目标的实现达到总体性能目标。

2．2 噪声传递路径分析

噪声传递路径的基本概念是驾驶员或乘客耳边的总声压等于每条传递路径引起的声压之和：

其中P，等于来自悬架、发动机或排气系统的载荷经过弹性元件衰减后传至车身的作用力F，与车内一点声压频响函数

的乘积。虽然每条路径产生的噪声相位不同有可能使部分噪声相互抵消，但式(1)中并没有考虑相位影响，因为利用可能的相位抵消提高最后产品性能在设计阶段难以保证，此处保守的考虑了最差的情况以改进每条结构噪声传递路径性能。

路径排序完成后必须确定主要路径噪声传播的根本原因以有效减小相应路径的贡献。声压频晌函数P／F与车身连接点处的导纳V／F紧密相关，虽然车室内饰和室内空腔也影响P／F，但研究表明，连接点导纳对声压响应起主导作用，差的导纳特性很难通过P／F弥补，本文主要关注V／F以减少结构传播噪声。动态刚度比定义为车身连接点刚度与弹性元件刚度的比值

，这是影响弹性元件隔振性能与车身输入力水平的重要因子。输入位移的减少同样可有效降低输入力

，位移输入是否为噪声根源可通过灵敏度分析确定。为获得良好的路径传递特性，影响结构噪声的主要参数应控制在以下范围：

子系统固有模态分析是传递路径噪声根源分析的基础，根据分析结果可对各子系统问耦合的固有频率解耦或使共振频率避开激励频率，从而降低输入点位移。而受迫响应模态振型分析同样是振动噪声根源分析的有力工具，在关注频率下对子系统进行受迫响应分析，观察该频率下的结构变形确定连接点的位移大小，从而判定输入力是否是传递路径的主要贡献源。明确了主要传递路径中的噪声根源后便可根据整车性能目标设定相应的子系统目标，通过仿真分析进行性能改进直至实现总体目标。

数字骡车经过性能改进达到目标后便可在各类工况下对第一轮设计样车进行NVH性能评估，如果在某些工况下不能达到设定目标，则按照同样方法进行传递路径分析，设定子系统目标，提出可行性改进方案并最终确定出综合考虑各类性能的最优方案。新车设计过程中数字骡车具有参考作用，可为新车子系统性能的改进提供方向。

3 应用实例

某汽车集团一款自主研发商用车进行结构噪声设计，骡车仿真分析表明发动机4200 r/min时动力总成结构噪声比目标值上限高2 dB，因此设定该工况下的目标是在骡车基础上获得2 dB的噪声衰减。动力总成引起的驾驶员耳边声压 P 等于备条传递路径引起的噪声之和

，目标声压可表示为：

是为实现2 dBA的噪声衰减而对每条路径设定的子系统目标。进行噪声传递路径分析，根据每条路径声压频响函数

和振动加速度确定路径贡献排序见表2。

对表中贡献最大的传递路径进行噪声根源分析，利用丹麦B&K设备进行传递函数分析，悬置发动机侧力锤敲击力作为输入，同时对悬置车身侧连接点进行动刚度试验，结果表明P／F、V／F、

三项因子都在合理范围内，对动力总成予系统在关注频率140 Hz下进行受迫模态振型分析，结果显示动力总成变形中变速箱悬置点位移占主导地位，从而引起该悬置对车身较大的输入力。对第二条传递路径进行分析，结果表明输入力和动态刚度比都在合理范围，而与车身相连的发动机左侧悬置支架变形较大，因此需要控制该处结构导纳。设置子系统目标为变速器悬置点位移减少20％，左侧发动机悬置点导纳降低1.0 dB L，经过改进后骡车在该工况下基本实现总体目标。

随后对第一轮设计样车进行仿真，动力总成结构噪声在4200 r/min时仍超出目标2 dB，与改进后的骡车性能比较如图2：

动力总成受迫振型分析表明140 Hz处变速器悬置点具有较大的位移，这可通过两种有效的设计方案解决：添加动力减振器或弯曲支架。对变速器悬置与车身连接点进行导纳分析,结果显示136 Hz处出现峰值，这与动力总成4200r/min处的噪声峰值密切相关。在136 Hz处进行车身受迫模态振型分析,发现支撑变速器悬置的横梁是主要的变形部件，说明横梁刚度不足是该频率下导纳特性差的主要原因。第一轮设计样车在该点＼导纳曲线与骡车比较如图3。通过加强悬置横梁与车身连接处的结构强度和改进截面形状提高横梁动刚度，使导纳曲线中136 Hz处的峰值大大降低如图4，最终实现子系统目标。

4 结语

本文提出了整车开发过程中用有限元仿真进行室内中频结构噪声设计的子系统方法，给出了总体NVH目标主观等级与客观测量值的转化公式，通过对设计初期合成的数字“骡子样车”和参考样车有限元模型进行仿真，在室内噪声不能满足设定目标的工况下对噪声传递路径进行贡献排序，利用子系统分析确定主要路径的结构噪声根源并设置相应子系统NVH性能改进目标，通过对子系统的改进最终实现整车目标。文中通过某车研发过程中动力总成结构噪声实例验证了本文结构噪声子系统传递路径分析方法的有效性，可为新车NVH研发提供参考。

作者：张守元1,张义民2

作者单位： 1. 上海汽车集团股份有限公司研究院，南京 210028；2. 东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 110004

来源：运载工具振动与噪声

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来源：汽车NVH云讲堂

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首次发布时间：2023-04-22

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