1、谐振器在解决整车噪声问题上的应用研究 刘亮亮 崔嵩 王镝 泛亚汽车技术中心有限公司 摘 要： 重点关注在整车噪声问题控制方面的一些解决方案, 目的是通过谐振器的应用研究来找出与传统配重块方案之间的优劣势。并通过虚拟分析手段以及试验车快速验证手段来具体分析谐振器对于整车噪声问题的贡献, 为以后进一步在项目开发前期能够通过虚拟分析等方法提前识别噪声问题提供一定的分析依据和经验。关键词： 模态分析; 谐振器; 噪声问题; 收稿日期：2017-10-20Application Research of Resonator in Solving the Problem of Vehicle NoiseLi
2、u Liangliang Cui Song Wang Di Abstract： Aiming to identify the advantages and disadvantages of traditional counterweight solutions through application of resonator, some solutions of vehicle noise issue is focused. Through the virtual analysis method and the rapid verification method, the contributi
3、on of the resonator to the noise problem of the vehicle is analyzed, which provides some analytical basis and experience for further identification of the noise problem in the early stage of project development by virtual analysis and other methods.Received： 2017-10-200 引言近来随着汽车市场的日趋成熟, 消费者对于汽车的品质追求
4、越来越高, 对于乘员舱内的体验感受很大一部分会体现在整车噪声效果的控制上, 这就要求整车开发过程中需要高度关注 NVH 方面的性能和影响。目前大部分汽车研发公司会借助 NVH 等虚拟分析工具在前期车辆开发过程中, 进行整车模态的合理规划和分配, 并据此进行开发设计, 从而能够避免各模块及整车空腔等模态因发生耦合而导致噪声问题的产生。对于消费者而言, 这种噪声会带来严重的不舒适感, 影响驾车体验, 对整车品牌的影响也是很负面的。但是, 在基于 NVH 虚拟分析来提升整车设计开发效率的同时, 针对噪声问题的解决各研发公司给出来的方案也是大不相同。其中很多 OEM 选择采用传统配重块的方式来解决此类
5、问题。这种方式设计比较简单, 但缺点是重量较重。所以本研究是通过针对谐振器的应用研究, 来应用于车身结构上以解决常遇到噪声问题, 希望通过此结构设计的应用研究能够寻找到一种比较高效且具有重量优势的工程解决方案。并能够积累一定的虚拟分析经验, 有助于后续在项目的先期开发阶段, 通过有效的虚拟分析等方法, 提前识别和判断整车的噪声问题。1 噪声产生的原理在不考虑外部噪声传入车内的直接因素前提下, 作为多自由度系统, 车身在外部激励 (主要是发动机与路面的激励源) 作用下将会引起振动, 当外部不断变化的激励频率和车身低阶固有频率相同时, 振幅达到最大值, 即发生共振现象。进而, 被激励起的低阶的车身
6、结构模态将会与舱内空腔模态发生耦合现象, 从而产生噪声。根据比较成熟的声学理论计算, 可以依据空间声学尺寸来计算空腔声学模态1式中:c 为空气中的声音传播速度;x、y、z 为空间声学尺寸;A、B、C 为常整数。根据传统三厢车的基本尺寸可以初步推算, 舱室内空腔低阶模态主要集中在 60 Hz 左右。另外, 车身系统也是一个多自由具有多阶模态的系统, 对整车影响较大的频率主要也是集中在低阶模态范围 (主要是 580 Hz 范围内) , 那么发动机在高转速及结合路面激励的情况下, 会将车身顶盖加风挡等综合系统的此频率段的低阶模态激励起来, 进而发生与近似的空腔低阶模态的耦合现象, 产生噪声的峰值。根
7、据声学理论, 正常人耳能够不引起不适的噪声分贝值基本在低于 60 分贝范围内, 那么在一定的乘员舱空间范围内, 上述的耦合现象则会表现为内部乘员人耳能感受的类似嗡嗡轰鸣声的噪声。2 噪声解决方案研究为了解决整车噪声问题, 常用方法主要有: (1) 从振源入手, 改善结构设计。例如, 采用良好的空气动力布局, 并将发动机等重要振源进行结构改善。 (2) 从传输路径入手, 隔断传声路径。例如, 发动机噪声的传输, 可通过对前围板的结构进行设计以及密封设计进行阻断, 从而显著降低乘员在舱内的噪声吸入。(3) 从接收末端入手, 吸收声波。例如, 采用良好的吸声内饰材料降低声波在舱内的反射。而针对上述方
8、法, 当整车上产生噪声问题时, 无法通过改善振源设计以及吸收末端声波等前期处理方式对已经完成造型设计的车身进行大幅度更改;而隔断路径的方法很难适用于直接暴露在乘员舱周围的结构, 且路径的多样性使得该方法难以快速锁定问题路径。因此, 后期主要需要通过改变车身系统或局部的模态来避免与空腔模态的耦合。其主要方法有以下 2 种方案: (1) 通过车身结构优化, 增加车身刚度来提高局部模态; (2) 增加车身系统的质量或动态谐振器来控制改变局部模态。本文主要对动态谐振器及质量块的方案的应用研究, 来找出二者在改善控制模态的应用上的区别和优缺点。动态谐振器从能量的角度对振动进行吸收和转化, 当外部激励源输
9、入时, 会和特定频率值的谐振器产生诱导共振, 从而原本用于和车身空腔共鸣的振动被谐振器所转化, 避免噪声问题的产生。而增加质量块方案则是从自身系统出发, 通过系统质量的变化来改变系统的低阶固有频率, 从而避开与激励源可能发生共振的耦合频率范围。为了更好地比较传统配重块和谐振器对于振动的影响, 这里引入传递函数的理论, 也就是通过振动传递率这一指标来评价振动的传递效果。一般情况下, 希望振动传递越少越好, 通过传递率来解释的话, 就是传递率越小, 通过激励源发出的振动就越少地传递到车身结构上, 那么就不会轻易引起车身结构的共振。假设传递函数 P 是关于激励引起的位移与力的比值, 主要与系统的刚度
10、、质量以及阻尼系数相关, 参考如下理论公式式中:X 是位移;F 是载荷力;K 是系统刚度大小; 是激励频率; n是系统固有频率, C n是系统阻尼系数。图 1 是描述激励源对车身结构的作用系统示意图, 分别通过增加传统质量块和增加谐振器装置来改善车身结构系统对于激励的响应结果。结合该系统方案, 通过传递函数来比较 2 种方案对于激励响应的影响结果。从传递函数的公式来看, 传递系数 P 主要与系统的刚度 K 成负相关, 也就是车身系统的刚度越高, 传递系数则越小, 整个车身结构系统对于抵抗外部激励源的能力越强, 也就是能够有效抵抗外部激励所引起的共振现象。但是如上文所述, 车身结构如果在项目后期
11、基本冻结的基础上, 自身的刚度则很难再做有效的提高, 那么此时传递函数 P 的主要影响因素就集中到激励频率和系统阻尼系数上。激励频率一般会覆盖从低阶到高阶的各个频率段, 也就是激励频率本身是很难被有效遏制或改变的, 那么重点就关注到能够改变的系统阻尼和频率上来。图 1 激励与响应系统示意图 下载原图相比所列出的 2 个系统区别, 主要在于在原车身结构系统上增加质量块的连接形式, 前者可以简单理解为通过传统的刚性连接来增加一个质量块, 为无阻尼系统;后者主要是在增加质量块的同时, 通过弹性阻尼部件进行桥梁连接, 形成一个类似于单自由度的阻尼子系统。该子系统本身可以通过其弹性部件橡胶的硬度来达到系
12、统所需要的频率。那么在外部激励输入的时候, 在传递到车身结构系统的时候就会同步激励起增加的谐振器子系统, 当激励的模态与子系统谐振器的模态达到耦合时, 并且调谐的谐振器与激励的频率相同但振幅相反, 理论上激励则被谐振器消耗掉, 那么传递系数也就达到最小值, 能够传递到车身结构系统的激励就可以有效避免。也就是说, 带有阻尼的系统相比刚性连接的质量块, 可以有效地降低传递函数, 对于激励源的传递能起到明显的遏制作用, 能更有效地避免车身结构的共振发生。谐振器是一种带有固有频率的弹性阻尼机构, 由多个部件组合装配而成。结构形式多样, 可以根据整车的布置需求来进行合理的设计, 以图 2 为例, 主要部
13、件包括质量块、橡胶、插销、支架等子部件, 并通过支架固定在车身上, 从而形成一个独立的阻尼振动系统。其中, 质量块主要使用金属钢或铸铁材料, 需要满足一定程度的质量要求, 可以根据不同的工艺需求来进行选择。橡胶则起到阻尼作用, 主要使用天然橡胶、合成硅胶等原材料, 具有较好的硬度选择范围, 不同硬度的橡胶可以满足不同的设计阻尼系数的要求。图 2 谐振器剖面图 下载原图该结构中的支架主要是提供谐振器和车身之间的连接, 通过改变支架的型面, 可以适用于不同的位置和不同的空间, 柔性较好;且中间质量块的圆柱形设计也保证了振动发生时传力的均匀性;该结构装配不复杂且便于安装。图 3 为传统配重块的一种形
14、式, 自身为一个质量块, 通过铸造或者机加工等制造工艺完成, 并通过螺接方式与车身结构进行刚性连接, 可以表现为增加车身结构的局部重量, 来降低车身结构的局部模态。该方案的优点为可通过重量直接对车身模态进行调控, 且零件制造简单;但该方案以牺牲整车质量为代价进行调节, 且对安装空间有一定设计要求, 与其他零件配合的底面或侧壁面的加工精度需严格保证, 从而大大提升了单车成本。图 3 传统配重块形式 下载原图3 验证过程下面通过某个具体项目案例来进一步阐述谐振器的应用对于整车噪声问题的解决贡献。在某项目的试生产阶段, 当发动机转速到达 2 000 r/min 之后, 前排乘客会感受到明显的噪声,
15、带来的不适感非常明显。通过 CAE 建模及虚拟分析发现, 该车型的车身、车顶结构与前风挡的低阶模态基本在 49 Hz 左右, 而发动机作为激励源在转速提升到 2 000 r/min 之后, 刚好能够将此频率段的车顶结构激励起共振, 从而会发生与前文所述的空腔模态进一步发生耦合, 造成噪声问题的发生。为了解决此问题带来的噪声影响, 通过理论计算及虚拟分析, 开发出一种能够维持在 58 Hz 左右的谐振器零件。谐振器的频率可以通过共振台试验利用共振原理测试出谐振器零件自身的频率, 如图 4 所示为测试结果。为了进一步验证该谐振器零件在整车上的减振效果, 通过联合供应商制造出了能够满足该频率的快速样
16、件。将此样件装配到车顶的横梁结构上, 并通过试验车辆调整发动机转速来验证原来在 2 000 r/min 左右发生的噪声问题。结果如图 5 所示, 深色曲线代表在原设计状态下, 随着发动机的转速提高乘客舱内采集到噪声值大小;浅色曲线代表在新增谐振器的基础上, 随着发动机的转速提高乘客舱内采集到噪声值大小。可以明显的看出在发动机转速提高到 2 000 r/min 以后, 带有谐振器的车顶系统对乘客舱的噪声影响明显降低, 远低于正常人耳能够感受的噪声标准。图 4 谐振器频率-振幅曲线 下载原图为解决该噪声问题, 所需谐振器总成的全部重量仅为 0.96 kg;根据分析显示, 如果采用传统配重块方案,
17、所需重量将超过 2 kg。且谐振器的柔性化特点使得其安装和配合面均可随车顶设计状态而定, 优势较为明显。可参考表 1 来从不同评价维度对二者做一个比较。图 5 谐振器与车身系统响应 下载原图表 1 传统配重块与谐振器的比较 下载原表 4 结语本文通过对整车噪声问题产生的原理分析, 阐述了车身结构对于噪声问题产生的机理, 并通过对不同噪声问题解决方案的分析来阐述谐振器工作原理和传统配重块工作原理的区别。依据理论基础的分析, 通过虚拟建模及实车验证等评估方法寻找到一种比较合适的频率段的谐振器零件, 以解决车身结构模态与乘员舱空腔模态发生耦合共振的问题。通过此方案的对比分析研究, 能够给前期项目阶段的虚拟建模分析提供一定的经验依据, 能够更好地将虚拟模型和实物模型的吻合性进一步提升, 逐步完善更加可靠稳健的虚拟分析模型。并将问题的探测尽可能前移, 通过虚拟建模分析可行性方案, 在前期开发时通过结构上的优化来提升局部模态, 以避免各类噪声问题的发生。参考文献1林程, 王文伟, 陈潇凯.汽车车身结构与设计M.北京:机械工业出版社, 2013. 2庞剑, 谌刚, 何华.汽车噪声与振动-理论与应用M.北京:北京理工大学出版社, 2008.
