某车结构共振引起的轰鸣声研究
[摘要]某轿车加速过程中车内存在轰鸣声，严重影响车辆品质。经排查发现车内噪声主要问题转速为1700r/min，4阶次，问题频率为112Hz。同时，车内噪声在3351r/min转速下，也存在2阶问题，问题频率同样为112Hz。利用LMS Test Lab声振测试分析系统进行测试和分析，通过结构模态分析排查出是发动机前悬置被动端支架与副车架连接点共振产生。本文在前悬置被动端支架与副车架连接点处增加吸振器，解决了车内共振这一问题，从而提高了整车NVH性能。 振动现象是汽车在行驶过程中无法避免的问题之一。强烈的振动，会影响整车零部件耐久性能，从而引起结构件的疲劳破坏；而结构共振所引起的车内轰鸣声，同样会影响人的乘坐舒适性。有效排查共振现象发生的机理是用模态及原点动刚度分析方法，如何避免此类现象的发生，首先需知晓共振所发生的固有频率，用整车结构的模态及刚度分析法的排查，从而判断整车结构与激励源等发生的相互关系，最后通过结构的合理设计来避免共振现象发生。 本文中X车型前副车架与车身连接形式为刚接，构成一个车身总成。故动力总成激励所产生的振动噪声，若没有通过悬置得到较好的抑制，也会通过副车架传递至车身，从而影响整车的NVH品质。而本文中X车型的前悬置支架某一阶模态正好与副车架连接点横梁的模态频率耦合，从而发生共振，引起整车轰鸣，影响乘坐舒适感。 悬置支架作用：汽车发动机并非直接与车身刚性连接。而是通过悬置与车身连接。悬置即发动机与车身连接处的橡胶软垫。悬置的作用是用来隔绝发动机振动，尽可能减少振动噪声被传至驾驶舱。悬置两端都是通过支架一端与动力总成相连接，一端与车身或车架相连接。支架-隔振器-支架所组成的系统，是振动传递的通道； 发动机悬置支架性能要求设计原则：为达到良好的隔振效果，第一支架的刚度必须要大，一般要求被动端加速度≤0.1 m/s^2；第二支架的最低频率应该在500Hz以上。 副车架作用：副车架[1]可以看成是前后车桥的骨架，是前后车桥的组成部分。副车架并非完整的车架，只是支承前后车桥、悬挂的支架，使车桥、悬挂通过它再与“正车架”相连，习惯上称为“副架”。副架的作用是阻隔振动和噪声，减少其直接进入车厢，所以大多出现在豪华的轿车和越野车上； 副车架性能要求设计准则：第一，如果与车身刚接的话，一阶频率应该大于200Hz，400Hz之内不超过10阶模态，相邻两阶模态频率间隔大于20Hz；第二，与悬置支架安装点刚度三向应该大于7000 N/mm。 X轿车，加速工况下车内，存在“轰鸣声”，特定转速下“轰鸣声”明显增大。使用LMS Test Lab系列数据采集和分析设备，对加速工况下车内噪声进行测试，传感器布置在驾驶员右耳及右后排乘员左耳，如图1-1为驾驶员右耳噪声功率谱。 由于振动噪声的功率谱[3,4]反映了振动噪声能量按频率分布的状况，因而可以通过对功率谱的分析确认其能量按频率分布的情况，帮助分析噪声和振动产生原因。 对于结构部件，可在频谱中找到与系统结构特征和转速相关的谐波峰值。该车型搭载1.5L四缸四冲程发动机，其振动噪声能量主要集中在发动机的二阶、四阶及六阶。根据计算公式(1)[3]计算，当怠速工况下发动机转速为750RPM时，发动机点火频率为25Hz，发动机激励产生的二阶、四阶和六阶振动噪声频率分别为25Hz、50Hz、75Hz。 i－发动机冲程数，对于二冲程 i=1，四冲程发动机i=2。 本文中X车所发生的问题转速为1700rpm和3351rpm，利用通过上述公式计算结果，并结果车内噪声测试结果，主要问题转速为1700r/min，4阶次，频率为112Hz；同时，问题转速3351r/min， 2阶次，频率也为112Hz。怀疑这两个峰值为同一个部件振动导致。 为进一步有效确定，首先对悬置主、被动振动进行排查。通过对2阶次和4阶次悬置主、被动端振动衰减的测试结果发现前悬置振动存在问题。 从图2可以看出（蓝色曲线为悬置支架被动端测试结果），悬置2阶次和4阶次在112Hz下，悬置主、被动端无振动衰减，前悬置的被动端振动均高与主动端，因此问题应由前悬置被动端处的支架与副车架连点横梁共振导致。图3表示悬置与副车架连接点安装结构图。 针对上述问题，对副车架与前悬置安装支架点动刚度及传函进行了分析，分析结果如下图所示。安装点X及Z向刚度偏弱，且Z向激励到车内驾驶员位置声音相应在110Hz超过了目标值；Y向及Z向激励到右后排乘客位置噪声相应也远远超出目标值。故可以再次论证问题由前悬置被动端处的支架与副车架连点横梁共振导致。 为最终确定问题根源，本文再次分析前悬置被动端处横梁振动Colormap图，112Hz出现清晰的共振线，2阶在1700r/min附近，4阶在3351r/min附近，与车内噪声问题频率完全对应。 由于前悬置被动端横梁工装模具已定，因此仅能通过动力吸振器方案对该振动进行减振。但在横梁处增加质量，其模态会降低，会导致在加速过程中，动力总成2阶次的激励容易将其激起，产生新的问题。因此在增加动力吸振器方案时需要考虑质量的影响因素。 动力吸振器设计[2]主要设计两个参数，频率和质量。频率为目前发现的问题频率112Hz，质量则为待加吸振器系统的当量质量的1/8~1/10。系统当量质量的计算如下图所示。 当量质量： 
，设计的动力吸振器测试效果如下图： 通过对设计不同质量分别为300g、500g、800g的3个动力吸振器的试验验证，选取综合效果最优的进行了批量的设计生产。以下图8和图9为前悬置横梁增加动力吸振器后振动的理论效果及实车测试效果图。实车测试如图9所示，112Hz振动峰值极大降低，动力吸振器产生的两个峰值与之前的设计计算也及其相符合。 通过验证，车内噪声结果如图10所示，原车1700r/min和3350r/min左右的轰鸣声均明显降低，提高了车辆加速噪声性能，并且动力吸振器附加质量对车内加速噪声无明显负面。 对装有原副车架系统、增加damper样件的三辆整车进行主观评价，装有800gdamper样件的样车在加速各种工况下，车内噪声优于原车及300g、500g的方案，加速“轰鸣声”在特定转速1700r/min和3350r/min附近明显降低，均达到了整车性能要求的水平。 汽车的噪声来源，主要是动力总成及路面激励。所以动力总成与车架连接件的设计及轮胎与车身连接结构的设计尤为重要。悬置系统是动力总成及车身连接的直接通道，动力总成激励力直接通过悬置系统传递到车内，所以整个悬置系统的结构和性能设计非常重要；另外副车架是动力总成与车身、悬挂连接部件与车身之间的一种辅助装置。在这种情况下，动力总成激励力、车辆与地面之间产生的振动，会通过悬挂部件直接传递给车身，从而影响到乘坐者的舒适性。悬挂部件是与副车架相连的，相同的振动通过副车架的缓冲，再传递到车身时，振动会大幅度降低，从而提升了整车的舒适性。另外由于副车架的刚度比车身更强，通过副车架的连接以后，大大提升了悬挂连接刚度，不仅提升舒适性，而且在提升底盘强度和操控性方面，同样有着独到的优势。所以副车架的设计很重要，要尽量在前期避免由于副车架与各部件连接点刚度不足导致的频率耦合，而导致车内发生共振，影响到车辆声品质。 往期相关推荐
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基于传递路径分析对某SUV加速轰鸣声问题诊断与优化 免责申明：本公 众 号所载文章为本公 众 号原创或根据网络搜索编辑整理，文章版权归原作者所有。因转载众多，无法找到真正来源，如标错来源，或对于文中所使用的图片，资料，下载链接中所包含的软件，资料等，如有侵权，请跟我们联系协商或删除，谢谢！
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首次发布时间：2023-04-20
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