提升车身动刚度解决车内轰鸣现象的研究
摘 要：传统燃油汽车，车内的发动机轰鸣噪声[1]，是一直希望被降低或致消除的一种问题现象。文章以解决某 SUV在 NVH 试验过程中，车内产生的发动机轰鸣现象为例，阐述了问题排查、原因分析、解决方案的思路过程。采用CAE 仿真分析、NVH 试验排查，确认轰鸣产生的原因为车身发动机悬置安装点的动刚度性能不足，明确以提升此点的车身动刚度[2]的方式来解决轰鸣问题，寻找影响悬置安装点动刚度的车身关键部位。随后制定解决方案、改制样车试验、NVH 路试验证，最终从问题根源上，以最优方案、低成本的方案解决了问题。
当今汽车行业快速发展，自主品牌汽车经过十几年的发展，已从一开始的完全模仿，经过不断的总结经验和学习，目前整体技术水平已经有了显著的提高，与此同时，汽车用户对汽车的各个方面要求也在不断提高。车内噪声是在用户体验中，较为被关注的一项体验。也是用户对车辆品质评价高低的最直接的一项性能，而在车内的噪声[3]中，发动机轰鸣噪声是最被关注的，也是一直以来都被当做问题来解决的一项噪声。它严重影响驾乘体验，破坏驾驶者和乘客心情，并且发动机的震动激励特质固定，想在发动机本体上来解决作者简介：宋志辉，工程师，就职于华晨汽车工程研究院，研究方 问题，路途漫长而久远；若以在发动机舱增加隔音材料方式解决，整车成本势必将大幅度增加，且无法做到全部舱壁包裹增加，总有因细小之处缺失而成为短板，且举措无奈，收效与投入相比较低，因此，快速、高效的解决问题就落在了优化车身结构，提升车身动刚度[4]之上。本文通过以上思路，在某 SUV 上开展优化，通过 CAE 仿真计算分析，NVH 试验排查，找出关键点结构，制定高效方案，改制车路试验证，最终以最高效的方案解决了车内发动机轰鸣问题。某新研发的 SUV 样车，NVH 工程师在做 NVH 性能测试时发现，车辆驾驶室有明显的轰鸣现象[5]，经过总结最终确定车辆在加速到 2550rpm(85Hz)和 3600rpm(120Hz)时，即产生较为明显的轰鸣，测试图谱中同时会出现较为明显的波峰，如图 1 所示。而且，通过 CAE 对车身发动机悬置安装点的动刚度仿真分析输出的图谱结果来看：分别在 85Hz 和 120Hz，两个位置的车身发动机悬置安装点 Z 向动刚度出现波谷，可与整车轰鸣现象相对应，如图 2 所示。通过以上结果，捋清了一个解决问题的思路，如图 3 所示。在分析前述 CAE 输出的车身发动机悬置安装的 Z 动刚度曲线来看，认为是车身机舱的某个位置的结构强度较弱，因此才在 85Hz 和 120Hz 的两个点上拉低了曲线，产生了两个波谷。为验证此种猜想，采用 CAE 仿真手段输出了 85Hz应力分布和动画，如图 4。通过分析应力分布和动画，可发现，在防撞梁与车身安装端部，和整体前端框架位置存在较为明显的应力集中，且在输出动画中，晃动量较大。以 CAE 仿真手段输出的应力分布和动画作为指导，制作出多种优化方案，同时进行仿真对比分析，如图 5。将以上方案单独、共同以及排列组合进行 CAE 仿真分析，典型结果曲线如图 6。通过以上方案的 CAE 仿真分析结果，总结认为，共有“前端框架塑料改钢”和“纵梁端接头优化+防撞梁连接端优化”，两方案从仿真结果上来看均能提升 85Hz 和 120Hz 两点的动刚度，使原来两点曲线的波谷消失。根据 CAE 仿真分析优化的设计方案，制作样件和改制样，如图 7。两种优化方案改制的样车，经过 NVH 工程师进行的测试，从主观表现和试验测试数据，均表明问题得到明显改善，与 CAE 仿真分析结果相符合，NVH 测试图谱如图 8。根据 CAE 仿真分析和改制样车的试车测试验证，解决这款车的驾驶室内发动机轰鸣问题，可有两个方案供选择，即“前端框架塑料改钢”和“纵梁端接头优化+防撞梁连接端优化”。结合本车型现开发状态，散热器结构开发完成、纵梁结构固化、塑料前端框架已开发完成等，由于当前的诸多限制因素，新的“钢质的前端框架”需有五十多个单个钣金件构成，开发成本和单车成本均远高于原“塑料的前端框架”，且增重 8.6kg。而“纵梁端接头优化+防撞梁连接端优化”方案，其中“纵梁端接头优化”由于原零件为自焊接冲压件，优化结构形式后，取消自焊接，单件成本略有下降，仅“防撞梁连接端优化”成本有略微增加；综合分析，最终选择采用“纵梁端接头优化+防撞梁连接端优化”方案实车实施。前文已经阐述，产生驾驶室内发动机轰鸣原因之一，可能是某一点的动刚度不足，而结构强度连接是否具有完整性，和承载大质量的位置点，都是我们要考察的关键。之后我们总结分析了某 SUV 前舱结构连接状态，如图 9。通过“某 SUV 前舱结构连接解析”图我们发现，这款SUV 前舱有三种材质的结构件，即钢质车身、塑料前端框架和路合金材质防撞梁，而材料属性中一个主要特性为“弹性模量[6]”，我们通过“弹性模量”定义即，是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，和“动刚度”定义即，动载荷下抵抗变形的能力，了解到动刚度和材质属性具有一定关系。因此，总结认为：多种材料共同应用时，应着重关注结构连接连续性与材质的特性。这款 SUV 所采用的三种材料的弹性模量分布，如图 10。综上所分析，发舱最前端特点是，载有大质量（散热器），承力力矩最长（支点视为前轮着底面），要求刚度应很大。而弹性模量小的材质对动刚度提升贡献很小，甚至小于因重量增加造成的动刚度损失。通过此次成功提升车身动刚度并最终解决车辆驾驶室发动机轰鸣问题的过程，为我们以后在新车型开发设计过程中提供了设计经验，同时为后续类似问题的解决提供了参考思路。作者单位：（华晨汽车工程研究院白车身工程室，辽宁 沈阳 110141）
