（车辆工程专业论文）燃料电池轿车车内噪声仿真分析与降噪技术研究.pdf

摘要 摘要 当前由于能源危机和环境问题的日益突出，现阶段世界各国均十分关注新 能源汽车技术。其中，燃料电池汽车因其节能和环保方面的优势得以成为未来 汽车发展的方向。但是，由于燃料电池汽车的动力总成、传动系统、底盘结构 等与传统汽车有很大的不同，而且其车身也是通过传统车型改造而成，从而影 响其整体乘坐舒适性。乘坐室的车内噪声特性是影响汽车舒适性的重要因素之 一，因此有必要对燃料电池车车内噪声进行相应的研究。 本文结合国家“八六三一燃料电池轿车项目的子项目“燃料电池轿车的声 振特性 和上海市“曙光计划 燃料电池轿车振动噪声控制项目，在综合分析 和总结前人研究经验的基础上，以超越三号燃料电池轿车为平台，采用仿真分 析与试验研究相结合的方法，开展针对燃料电池轿车低频车内噪声的仿真分析 与降噪技术研究。 本文首先通过车内噪声声振特性试验，明确了燃料电池轿车低频噪声特性 和主要噪声源：建立了反映燃料电池轿车整车中低频车内噪声动态特性的有限 元模型，通过理论仿真计算获得了乘坐室的空腔声学共鸣频率和声学模态形状， 分析了座椅对空腔声学模态的影响，并对计算结果进行了试验验证；通过对燃 料电池轿车车身结构动力学分析及试验验证，确定了燃料电池轿车车身的结构 动态特性及其对车内噪声的影响；在以上研究的基础上，在n a s t r a n 软件中 使用超单元和模态综合法建立了整车的声固耦合有限元模型，并进行系统耦合 模态分析，确定了整车的声振特性；以8 0 k m h 车速工况中氢泵和驱动电机的振 动频谱为边界条件，分有、无考虑车内吸声材料两种情况，对模型进行了车内 噪声声固耦合频率响应分析，了解吸声系数对车内噪声的影响；并通过模态参 与分析，板件贡献分析和板件结构模态分析，确定了后围板这一影响燃料电池 轿车低频车内噪声最主要的板件，通过对后围板的参数优化设计和结构改进， 降低了车内噪声；最后，将理论仿真结果用于样车改造，取得了良好的降噪效 果，也证明了用理论仿真方法指导车内噪声降噪是可行的。 关键词：燃料电池轿车，车内噪声，有限元法，声固耦合，板件贡献 a b s t r a c t a b s t r a c t o w i n gt oi n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n tp r o b l e m ， t e c h n o l o g i e so fn e we n e r g ya u t o m o t i v ea r ec o n c e r n e dg r e a t l yb yt h ee n t i r ew o r l d n o w a d a y s a m o n gt h o s en e we n e r g ya u t o m o t i v e s ，f u e lc e l lc a ri sr e g a r d e da st h em o s t p r o m i s i n gt r e n df o ri t ss u p e r i o r i t yo fs a v i n ge n e r g ya n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b u t t h ep o w e r t r a i na n dc h a s s i so ff u e lc e l lc a ra t eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a le a r s a n dt h eb o d yo fi ti sa l w a y sm o d i f i e df r o mt h e m ，w h i c hh a sg r e a te f f e c to nt h er i d e c o m f o r t w h e nq u a l i t yo fv e h i c l ei se v a l u a t e d ，e s p e c i a l l yf o rc 矾i n t e r i o rn o i s ei sa v e r yi m p o r t a n tc h a r a c t e ra n ds t a n d a r d ，t h e r e f o r et or e s e a r c hi n t e r i o rn o i s e o ff u e lc e l l e l e c t r i cc a ri sav e r ym e a n i n g f u lp r o j e c t c o m b i n e dw i t hp r o j e c to fn a t i o n a l8 6 3p l a nf o rf u e lc e l lc a ra n ds h a n g h a i s h u g u a n g p r o j e c tf o rf u e lc e l lc a rn v hc o n t r o l ，i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r i o rn o i s e s i m u l a t i o na n dr e d u c t i o no f “c h a oy u en o 3 ”i sd i s c u s s e d ，o nt h eb a s i so ft h e e x p e r i e n c ea n ds t u d yo ff o r m e rr e s e a r c h e r i nt h ep a p e r , a tf i r s t ，v i at h ev i b r o - a c o u s t i ct e s t ，t h ei n t e r i o rn o i s ef r e q u e n c y c h a r a c t e ra n dt h el o wf r e q u e n c yn o i s es o u r c e sa r ef i n do u t t h e nt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo fw h o l ev e h i c l ei sb u i l t ，w h i c hs h o w st h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft h el o w f r e q u e n c yi n t e r i o rn o i s e a f t e rt h a t ，t h ea c o u s t i cm o d ei s c a l c u l a t e da n da c o u s t i c f r e q u e n c ya n dm o d ei sp r e s e n t e da n dt h ee f f e c to fc h a i rt ot h ea c o u s t i cm o d ei s d i s c u s s e d a l s om o d a lt e s ti si m p l e m e n t e d ，i no r d e rt ov a l i d a t et h er e s u l t sf r o m s i m u l a t i o n ；t h et r i m m e db o d yd y n a m i cc h a r a c t e r sa t ea c q u i r e da n di t se f f e c to nt h e i n t e r i o rn o i s eo ff u e lc e l lc a ri sm a d ec l e a rb yt h es i m u l a t i o na n dt e s t i n gv a l i d a t i o n t a k i n ga l lt h e s ei n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h em o d a ls y n t h e s i sa n ds u p e r - e l e m e n t m e t h o do f m s cn a s t r a ns o f t w a r ei su s e dt ob u i l da ns t r u c t u r ea n da c o u s t i cc o u p l i n gm o d e l a n dc a l c u l a t ei t sc o u p l e dm o d et ok n o wt h ev i c r o a c o u s t i cc h a r a c t e r so ft h et o t a l v e h i c l e ； b a s e do na b o v er e s e a r c h ，t h ef r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i so ft h ec o u p l i n gm o d e l w i t ho rw i t h o u ta b s o r p t i o ni sc a l c u l a t e d ，w i t ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fh y d r i cp u m p 玎 a b s t r a c t a n de l e c t r i cm o t o rv i b r a t i o ns p e c t r u mo f8 0k m hw o r k i n gc o n d i t i o n a n dt h ee f f e c t o f a b s o r p t i o nt o t h ei n t e r i o rn o i s eo ff u e lc e l lc a ri s o b t a i n e d b yt h em o d a l p a r t i c i p a t i o na n a l y s i s ，p a n e lc o n t r i b u t i o na n a l y s i sa n dp a n e ls t r u c t u r em o d a la n a l y s i s ， t h er e a rs h e l fa s s e m b l yw h i c hh a sg r e a te f f e c to nt h el o wf r e q u e n c yi n t e r i o rn o i s ei s f i n do u t a f t e ri t sp a n e lp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n ds t r u c t u r er e f i n e m e n t ，t h ei n t e r i o r n o i s eo f “c h a oy u en o 3 ”f u e le e l lc a ri sr e d u c e d f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sa p p l i e dt ot h es t r u c t u r a lm o d i f i c a t i o no f “c h a o y u en o 3 f u e lc e l lc 札t h er o a dt e s t i n gr e s u l t ss h o w st h ei n t e r i o rn o i s eo ft h ec a ri s r e d u c e d t h u s ，i ta l s op r o v e dt h a ta c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e d u c t i o no f i n t e r i o rn o i s eo ff u e le e l lc a ri sf e a s i b l e k e y w o r d s ：f u e lc e l lc a r 9i n t e r i o rn o i s e ，f e mm e t h o d ，s t r u c t u r e a c o u s t i cc o u p l i n g , p a n e lc o n t r i b u t i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月曰年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的意义和背景 二十世纪以来，人们越来越多的关注能源危机和环境污染问题。汽车作为 消耗能源和污染环境的大户，更是成为全球关注的焦点。一方面石油资源短缺， 而汽车是油耗大户，节节攀升的汽车保有量更加剧了这一矛盾；另一方面汽车 的大量使用加剧了环境污染，城市大气中c o 的8 2 、n o x 的4 8 、h e 的5 8 和微 粒的8 来自汽车尾气，此外，汽车排放的大量c 0 2 加剧了温室效应。目前，美 国、欧洲、日本等发达国家和地区都通过制定严格甚至苛刻的标准和法规来解 决汽车的环保问题，这也成为制约传统汽车进一步发展的主要瓶颈之一。因此， 高效率，低污染型“绿色汽车 技术的成功与否对汽车行业来说已成为2 1 世纪 能否生存的关键。 为此，上个世纪以来世界各国和各大汽车公司以及国内各大科研机构和高 等院校纷纷致力于开发清洁能源汽车。代用燃料汽车、蓄电池电动汽车、燃料 电池汽车、混合动力汽车和气动汽车等新能源汽车技术发展迅速。其中，燃料 电池汽车( f c v ) 以氢气这一可再生能源产品为燃料，具有零排放的良好环境性 能，具有节能和清洁双重优势，成为当前新能源汽车技术中一个很有前途的解 决方案心引。近年来，世界发达国家的汽车公司都在政府的支持下竞相研制燃料 电池汽车，质子交换膜燃料电池被认为是最佳的车用驱动电池。随着各大汽车 生产商和石油巨头的积极参与，从资金到技术的大力投入，燃料电池汽车己经 走出实验室，开始商业化旅程。其中比较有代表性的有美国通用汽车公司的氢 燃料汽车氢动3 号，日本丰田汽车公司的f c h v - 4 和本田汽车公司的f c x 以及戴 姆勒一克莱斯勒公司的f - c e l l 燃料电池轿车等。很多专家更是乐观地认为，燃 料电池汽车将引发汽车工业的革命，最终取代传统内燃机车成为汽车发展的主 流h 1 。为了贯彻可持续发展方针，应对w t o 的挑战，提高我国汽车工业的自主创 新能力，实现汽车工业的跨越式发展。我国将电动汽车的开发列入“十五”重 点科技攻关项目，成立国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，以便用于2 0 0 8 年北京 奥运会1 。在该项目资助下，同济大学等承担了燃料电池轿车的研发任务。本课 第1 章绪论 题正是基于这一背景，配合燃料电池轿车的研发工作。 在对汽车的节能和环保两方面提出更好要求的同时，并不能放弃对汽车其 它各项性能如动力性、舒适性的提高。汽车的诞生至今已过百年，其各方面的 性能都随科学技术的迅猛发展而得到了极大的提高。但随着经济的发展，人们 生活水平的提高，人们对汽车的综合性能又不断提出更高的要求。汽车已经不 再是简单的“代步工具”，汽车乘坐的舒适性越来越引起人们的关心和重视。其 中，整车车内噪声是影响车辆n v h ( 振动、噪声和声振粗糙度) 性能的主要因素 之一，特别对轿车而言，其车内声学品质已成为衡量其车辆档次的标准之一。 此外，世界各国都对汽车噪声制定了严格的控制标准。其中，我国国家标准规 定：汽车加速行驶时车外噪声要小于8 8 d b ，m 1 类汽车应小于7 7 d b 。嘲 当前，世界各大汽车公司都将整车n v h 性能作为重要的研究方向并都投以 较多的人才和资金。如今，n v h 问题已经成为在车型开发过程中各大整车企业和 零部件企业关注的主要问题之一。国外公司的统计表明，整车约有1 3 的故障 问题是和车辆的n v h 问题有关的，而各大公司有近1 5 的开发费用耗费在解决 车辆的n v h 问题上。h 1 越来越多的汽车公司，在新车型的开发中都将车内噪声声 学设计、优化和控制作为整个轿车开发中的一个重要步骤和环节。如果这一环 节不成功，可能影响轿车开发的整个方案，甚至被推翻重来。我国目前开发和 生产轿车的档次越来越高，因而与整车n v h 性能有关的车内噪声问题也就越来 越受到各方面的重视。如果产品的车内噪声与产品的档次不相称，就可能在市 场上受挫，这是进行车内噪声研究与控制的动力之一。 同样的，对于燃料电池汽车开发而言，如果能在研发初期通过对其车内噪 声的仿真分析，指导样车结构设计并降低车内噪声，则更具现实意义。燃料电 池车具有使用替代能源和零排放的优点，日后必然有广阔的社会和市场前景。 本文采取仿真结合试验的方法，通过试验确定燃料电池汽车车内噪声特性和低 频主要振动噪声源，并利用有限元法对其车内噪声进行仿真分析和结构优化， 以达到指导燃料电池样车的板件结构设计，降低其车内噪声水平，提高乘坐舒 适性的要求。这对在技术上促进燃料电池轿车产业化，具有十分重要的战略储 备意义和工程运用价值。 因此，燃料电池轿车车内噪声仿真分析和降噪是一个非常有意义的课题， 也是燃料电池轿车要全面推向市场、最终取代传统轿车在技术上的必经阶段。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究发展动态 在车内噪声仿真研究方面，国内外学者和工程技术人员作了大量的工作， 并取得了一些成果。 七十年代初期，国外就已开始对车内噪声特性进行研究。开始从理论上探 讨板状结构振动时所辐射的声功率以及离板状结构一定距离、一定角度空间某 点声压的预测公式。然后进一步研究板处于流体( 如空气、水) 中时，在二者的 相互作用下，板所辐射声功率的预测方法，出于理论上推导方便，考虑了无限 板和半无限板的情况。同时，a c r a g g s 和t s h u k u 等人开始研究如何利用有限单 元方法分析不规则空间声场和声学模态的方法呻1 。这使得板的声辐射理论研究 有了解决工程问题的实用工具。由于这些研究开始就是结合汽车车内空间的声 学特性进行的，有很强的针对性和实践性，所以这些研究成果很快就被应用到 轿车乘坐室声学模态的计算分析上，以解决轿车中低频声学共振“轰鸣声 这 一棘手问题。 八十年代初期，以d j n e f s k e 和s h s u n g 为代表的学者和工程技术人员， 利用有限元法在轿车的车内噪声特性数值分析方面做了大量的研究工作饽 1 钔。他 们系统研究了汽车车内声学模态分析的有限单元建模方法，深入探讨了边界( 车 身板壁结构) 振动对车内声场的影响以及车内声压对边界振动的影响，建立了结 构一声学耦合的有限单元模型，解决了弹性边界的声学模态分析和车身结构受迫 振动时车内声压分布的计算难题，推导出结构振动一声压波动在受到外界干扰力 作用时的有限元计算公式，讨论了阻尼问题对车内噪声的影响，在无阻尼情况 下，空腔内声学共振频率处，声压可达无限大，而实际上阻尼的存在有效地抑 制了声压的升高，这些研究为进行汽车车内噪声仿真分析打下良好的基础。 基于有限元理论及其软件的限制，对车内噪声的研究主要偏重于2 0 - 2 0 0 h z 频率范围内的低频噪音。因为2 0 h z 是听到的最低频率，而2 0 0 h z 以下频率是结 构振动为主引起的车内噪声集中的频率。在此频率段内，无论是结构还是声学 模态的密度都变得很低，所以用模态分析法很适合，其优点是在设计阶段可对 结构和声学进行单独分析，另一点是任一系统都可以在模态综合步骤以前取得 实验数据。对于2 0 0 h z 以上的频率范围内，由于结构的模态过于密集，已不适 合用有限单元来进行分析，而必须用统计能量分析法( s e a ) 来进行分析了。 九十年代以来，随着电子计算机技术的飞速发展和高速、大容量、小体积 3 第l 章绪论 工作站的出现，各种在工作站上使用的软件系统也纷纷推向市场。在有限元软 件方面，最初由美国航天部门开发的大型有限单元分析系统n a s t r a n 软件，因 其具有很强的前后处理功能和有限单元计算能力，被各企业和科研院所广泛使 用。特别地，在汽车车内噪声低频仿真分析方面，n a s t r a n 软件因其子结构技术， 强大的优化功能等等，已基本成为世界上各大汽车公司使用的标准程序。 边界元法是继有限元法之后发展起来的针对车内噪声仿真分析又一新的数 值计算方法，它以边界积分方程为基础，结合有限元法网格离散的优点，仅需 结构边界信息，求解变量少，数据准备少，且对于无限域问题和随时间变化的 问题特别有效。由于边界元法在处理车室内吸声材料建模方面具有独特的优点， 也得到广泛的应用。n 明j a h a r g r e v e s 和a l a n z o r 等人利用间接耦合边界元法对 车辆的n v h 特性进行分析并改进。7 坩1s a n g - h y u nj e e 等人利用边界元技术计算 了车辆的声学灵敏度，并分析了橡胶悬置对车内噪声的影响。n 们目前，比利l m s 公司开发的s y s n o i s e 软件是市场上应用较广泛的边界元噪声分析软件之一。该 软件分直接边界元和间接边界元，不仅能分析车内噪声也能分析车外辐射噪声， 扩大了仿真技术在汽车噪声问题上的研究。但边界元法同有限元法一样，适用 于低频噪声的研究。 当前，国外研究机构逐渐将研究重心向中频及高频噪声的分析、预测及控 制转移。特别是中频段噪声的仿真分析，由于还没有完全成熟的理论支持，已 成为国外学者研究的热点。其将声学试验与仿真计算结合，建立混合模型 ( h y b r i dm o d e l ) 来解决有限元法对于中频( 2 0 0 - - 一4 0 0 h z ) 仿真计算的困难， 模型中一部分子结构的动态特性来自于有限元分析建模，另一部分来自于试验， 不仅使整车噪声分析模型更准确，而且还大大提高了中频噪声数值计算的收敛 率。啪 2 同时与传统有限元法计算相比不仅精度高，而且省时，节约计算资源。 在高频方面，主要还是基于统计能量法对其进行研究。它是以梁、杆、板、壳、 柱等子结构为建模的基础，虽然初看起来其建模比较“粗糙”，但每个子结构的 特性都是统计意义上的特性，因而其统计精度是完全符合工程要求的。陴1 统计 能量法不同于有限元法能得到某一点的噪声值，它只能获得某个子系统的整体 平均噪声水平，但它可以解决高频区内复杂结构系统的动力学问题。 此外，针对整车结构的多个系统，集成声学、结构振动及多刚体系统动力 学理论，解析各学科之间耦合关系，建立多学科综合的车辆n v h 性能仿真分析 模型，并进一步研制开发适用于该领域的c a e 软件系统，也已成为当f j f 发展的 4 第1 章绪论 主流方向。 近几年，国内在车内噪声仿真分析领域也开展了一些研究。其中比较有代 表性的是，吉林大学马天飞博士利用m s c n a s t r a n 软件以红旗小轿车c a 7 1 8 0 为 平台进行整车声固耦合方面的研究，其分别建立了白车身结构有限元模型和车 室空腔有限元模型以及考虑两者相互作用的声固耦合系统模型，通过进行模态 分析初步掌握了它们的频率特性以及耦合系统与结构、空腔在动力学特性上的 联系与区别。并把整车刚柔耦合模型仿真计算得到的车身与底盘连接点处的载 荷曲线作为车室声固耦合系统的外界激励，利用有限元法进行车室耦合系统的 瞬态响应分析和频率响应分析，计算出由路面激励引起车身结构振动而产生的 车室内测量点的声压信号，预测车室内噪声的变化情况以及分布情况并结合模 态分析结果进行了综合分析。最后，简单地探讨了发动机与路面激励共同作用 下车室内的噪声响应。1 该研究以仿真为主，缺少相关的试验验证和分析，此 外乘坐室模型是无座椅的，且耦合模型并未考虑底盘零件、车门、车窗等一系 列附件振动的影响，模型尚不够精确。此外，对计算结果也并未提出改进性的 建议或是优化设计。同济大学车辆工程系靳晓雄教授以某车型为平台，对路面 激振、悬架激振、发动机激振等对车身结构和车内空腔声振特性的影响，进行 系统了研究，并系统的论述利用有限元法进行车内噪声预测分析的方法和步骤。 这些在其所著 汽车噪声的预测与控制一书中已有详细论述。 对于近年来才出现的全新的燃料电池轿车的车内噪声仿真分析和降噪技术 研究，公开可查阅到的文献很少，国外在这方面的研究也不多。2 0 0 2 年f l o r i d a 大学m a t h e n y 等进行了静止状态下燃料电池大客车噪声试验研究瞳4 1 ，在车内和 车外各布置六个点测试噪声，通过选择运行法识别出了主要噪声源。该文对于 燃料电池汽车振动噪声的研究开了先河，但是其未对整车在不同车速工况下噪 声特性的频率分布及噪声源的传递路径分析展开研究。国内方面，同济大学近 几年对其研发的燃料电池轿车车内噪声进行了试验研究，但通过理论仿真计算 与优化来改善和降低车内噪声也未做深入的研究。因此，在燃料电池振动噪声 研究方面，尚有许多工作可做。 本论文的特点就是在前人研究成果的基础上，将车内噪声仿真分析及优化 技术应用到燃料电池轿车上，为燃料电池轿车开发设计和车内噪声的改善控制 提供一定的理论依据和可行的设计方法。 5 第1 章绪论 1 3 本文的研究内容和研究思路 本文以超越三号燃料电池轿车样车为研究对象，以试验和仿真计算相结合 的方法，对超越三号燃料电池车车内噪声进行仿真、诊断和优化改进，其中理 论仿真分析并指导车身板件优化是本文研究的重点，最后将理论分析成果应用 于样车改造，改善了其车内噪声，取得了一定的降噪效果。 结合工程实际应用，提出本文的研究思路如图1 1 所示。 建立包含底盘子系统 和内外饰件予系统的 详细车身有限元模型 图1 1 本文研究思路 6 詈 。 守 第1 章绪论 本文的研究内容如下： 1 通过试验手段确定燃料电池轿车在不同车速工况下的车内噪声特性及其 在o 一2 0 0 h z 低频范围内的主要噪声源和传递方式，获取燃料电池车主要振动部 件，如驱动电机，氢泵和风机等总成在某极限工况低频段的振动频率曲线，作 为仿真计算的外部激励。 2 利用有限元法，并根据研究的需要，用有限元分析软件h y p e r m e s h 、 n a s t r a n 进行车内噪声仿真分析的建模和计算。对影响车内噪声的各子结构建立 各自精确的有限元模型，以正确反映它们对车内噪声的影响是降低车内噪声的 基础。为此，将整车模型划分为多个子系统，它们包括车身子系统、底盘和饰 件子系统以及乘坐室空腔子系统，并对各子系统进行装配，获得详细车身模型 和整车声固耦合有限元模型，用来进行各种结构和声学仿真分析。 3 分别对有座椅和无座椅的乘坐室空腔计算其声学模态，获取乘坐室车内 空腔的固有特性及其声压分布，确定座椅对车内噪声频率分布等的影响。并将 计算结果与以往试验结果对比，以验证模型建立的精确性。 4 进行白车身的结构模态分析，并与以往的试验结果对比，以验证模型的 准确性。此外，建立详细车身模型，进行结构模态、结构频响分析计算，确定 其整车动态特性。并利用超单元法和模态综合法对模型进行动态缩减，以减小 模型的自由度和计算时间。 5 建立整车的声固耦合模型，进行系统耦合模态计算，获取整车结构和空 腔耦合的声振动态特性。然后，分别考虑有吸声材料和无吸声材料两种情况， 进行车内噪声声固耦合频率响应分析，以确定吸声材料对车内噪声的影响。此 外，通过模态参与分析和板件贡献分析，确定在某些关键频率上，对车内噪声 影响较大的模态和板件，并通过对这些板件的结构优化设计，达到车内噪声改 进和降低的目的。 6 根据理论计算的结果，对样车进行改造，并进行路试。试验结果表明， 理论分析的结果是成功的，降低了燃料电池轿车的车内噪声。 7 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 燃料电池轿车由于其动力总成、传动系统和驱动方式等与传统燃油汽车的 差异，因而在用有限元法进行理论仿真分析前，必须先明确其整车车内噪声的 频率分布及其在2 0 - 2 0 0 h z 低频范围内的主要的噪声源。因此，本章通过对燃 料电池样车进行声振特性试验，总体上明确了不同车速工况下车内噪声的状况 及其频率特性，确定了氢泵和驱动电机，这两个影响其低频噪声的主要声源。 2 1 燃料电池轿车主要噪声源介绍 一切向周围辐射噪声的振动物体都被称为噪声源。噪声源的种类较多，有 固体的，即机械性噪声；还有流体的，即空气、水、油的动力性噪声。瞄1 行驶 汽车的噪声包括动力总成所产生的噪声，车身因发动机、道路和空气流的作用 而振动所产生的噪声以及各种附件噪声等。对于传统汽车而言，发动机、变速 箱等动力总成是影响其车内噪声的最主要的激励源，而对于燃料电池车而言， 其动力总成、传动系统和驱动方式等与传统燃油汽车有很大的不同，其动力总 成是影响其车内噪声的主要激励源。 超越三号燃料电池轿车的主要动力总成为：燃料电池反应装置、锂电池组、 驱动电机一变速箱总成、p c u 控制器、燃料供给装置、冷却系统及各种辅助装 置等组成。其中燃料电池反应堆是一种静态能量转换装置，它能连续地将燃料 h ：和氧化剂( 0 2 或空气) 的化学能通过电化学反应直接转换成电能，同时消耗反应 物，排出产物，释放热量啪1 ，其自身不存在燃烧过程，因此不产生振动噪声。 而燃料供给系统中的空气压缩机( 简称为风机) ，氢气供给泵( 简称为氢泵) 等 为其提供燃料的装置却会产生振动噪声，另外空气滤清器在大进气量时，也会 产生啸叫声。 驱动电机一变速箱总成也是一个主要的噪声源。电机高速运转时，由于转 子质量不平衡产生的激励力，电磁力矩的波动产生的激励，以及路面不平引起 的驱动电机总成的扭振和变速箱传动轴引起的振动等。一旦其悬置隔振设计的 不好，则由该因素引起的振动将通过结构件传播至车身，引起车身的振动，再 8 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 由车身板壁振动辐射噪声至车内，对车内噪声产生很大影响。 此外，冷却水泵、冷却风扇、空调压缩机和动力转向泵等作为运动件也将 对车内噪声产生一定影响。 2 2 燃料电池轿车整车声振特性试验” 2 2 1 试验的准备 孵r rl 可? ii 型! 盔醪理暨蓟b 喜 誊篙瑙辨 第2 章燃料电池轿乍车内噪声特性试验分析 2 2 2 测点布置 为反映燃料电池车整车的声振特性， 内噪声、车身主要板件的振动加速度、 该试验主要测试在不同车速工况下，车 驱动电机总成和燃料电池辅助系统一些 部件的振动加速度，驱动电机单元上下悬置处的振动加速度等，根据上述要求， 对各动力总成和车身板件布置传感器，各传感器的具体测点位置、类型及标号 等信息见表2 1 和图2 2 所示。 表2 2测点位置表 通道号测点位置传感器备注 传感器编号 1 电机总成x 方向振动加速度 m o t o r _ a s s e m b l y _ x 2 电机总成y 方向 振动加速度 m o t o r _ a s s e m b l y _ y 三向3 5 1 7 8 3 电机总成z 方向振动加速度 m o t o r _ a s s e m b l y _ z 4 空气压缩机振动加速度 a i r _ c o m p r e s s o r n 1 22 6 1 9 0 5 冷却水泵( m o t o r , p c u l 振动加速度 c o o l i n g _ b u m p _ m p n 1 42 5 7 7 2 6 冷却水泵( f c e ) 振动加速度 c o o l i n g _ b u m p _ f c e n 1 62 6 0 7 0 7 动力转向油泵振动加速度 p o w e r _ s t e e r i n g _ b u m p n 1 72 6 0 7 1 8 空调散热风扇振动加速度 c o o l i n g _ f a n n 1 92 6 1 9 2 9 车顶振动加速度r o o fn 0 12 6 1 9 6 1 0 前地板振动加速度 f l o o r f r o n t n 0 22 5 7 8 1 1 1后地板振动加速度 f l o o r r e a r n 0 52 6 1 9 7 1 2 衣帽架振动加速度 b a g g a g e _ r a c k n 0 62 6 1 9 3 1 3氢泵振动加速度 h y d r o n b u m p n 0 72 6 0 7 6 1 4 风机振动加速度 f a nn 0 82 5 6 4 6 1 5 驾驶员右耳侧声学传感器 d r i v e r e a r 1 6 后排座椅最右侧声学传感器 p a s s e n g e r _ e a r 1 7电机悬置( 前上) 振动加速度 m o u n t _ f r o n t _ u p n 4 02 5 7 7 3 1 8 电机悬置( 前下)振动加速度 m o u n t _ f r o n td o w n n 3 72 5 7 7 4 1 9 电机悬置( 左上)振动加速度 m o u n t l e f l u p n 2 12 5 6 4 8 2 0 电机恳置( 左下)振动加速度 m o u n t l e f t d o w n n 0 42 5 6 5 0 2 1 电机悬置( 右上)振动加速度 m o u n t r i g h l u p n 2 82 5 6 4 3 2 2 电机悬置( 右下)振动加速度 m o u n t _ f i g h t _ a o w n n 2 92 5 6 4 4 1 0 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 _ m 4 度忙嬉 ( - ) 车内蝇声测点和车身板件振动加逮度涌点位置 ( b ) 驱动电机测点位置( c ) 风机和氢泵测点位置 ( d ) 空压机和冷却水泵铡点位置( e ) 动力转向泵舞点位置 图2 2 各测点位置 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 2 2 3 试验工况确定和试验数据处理 燃料电池轿车的声振特性试验在半消声室中进行，采用四轮转毂加载。试 验的工况设定为静止工况( 驱动电机不工作，燃料电池动力系统工作) ，匀速行 驶工况，车速分别为2 0 k m h ，3 0 k m h ，4 0 k m h ，5 0 k m h ，6 0 k m h ，7 0 k m h ，8 0k m h ， 9 0 k m h ，1 0 0 k m h ，l1 0 k m h ，1 2 0 k m h ，各发声源零部件振动加速度以及驾驶员 右耳侧和后排乘客右耳侧的噪声信号同步采集，采样频率噪声信号为4 0 0 0 0 h z ， 振动信号为4 0 0 0 h z ，采样时间为3 0 秒。 通过对试验采集数据进行频谱分析、相干与偏相干分析、传递函数分析等 分析，用来确定车内噪声特性及各主要噪声源( 如驱动电机总成、风机和氢泵 等) 的振动特性、传递方式及其对车内噪声的影响。 2 3 燃料电池轿车声振特性试验结果分析田侧 2 3 1 车内噪声特性确定 车内噪声特性主要包括噪声的声压级、分布状况、频率特征以及随车速的 变化情况等。本次试验测量的车内噪声声压级采用线性和a 计权两种形式，经 过计权网络测量的声级已经考虑了人耳的听觉特性，与人的主观感觉有较好的 相关性油1 。表2 3 给出了不同工况下车内噪声线性和a 计权累积声压级 表2 3 不同工况下车内噪声声压级 驾驶员右耳侧 后排乘客右耳侧 工况 l e v e ld b s p l l e v e ld b ( a ) s p l l e v e ld b s p l l e v e ld b ( a ) s p l 】 0 0 k m h7 8 5 95 28 1 8 56 5 4 4 2 0 k m h8 5 1 15 7 2 68 6 9 16 6 3 0 k m h8 5 6 25 8 3 78 7 6 56 7 2 1 4 0 k m h8 6 9 15 8 8 6 8 8 9 26 8 7 9 5 0 k m h8 5 9 46 1 98 8 9 76 9 4 1 6 0 k m h9 1 6 16 2 5 89 2 4 76 9 8 1 7 0 k m l l9 0 2 36 3 0 39 1 6 16 9 9 7 8 0 k m h9 2 0 76 7 1 69 2 7 67 1 4 3 9 0 k m h8 8 1 86 4 6 89 1 2 67 2 3 7 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 l o o k m h 9 0 3 26 9 9 9 2 - 3 87 3 6 7 l l o k m h8 9 8 56 7 5 39 1 3 77 2 2 3 1 2 0 k m l l9 4 8 36 9 7 89 6 1 47 3 9 4 图2 3 显示了车内噪声声压级线性和a 计权随车速变化状况，驾驶员耳侧 和后排乘客耳侧噪声随着车速的增加而逐渐增大，后排乘客右耳侧噪声始终大 于驾驶员右耳侧噪声。对于线性声级两者变化趋势基本相同，差距也不大；但 是a 计权声级前后排噪声差别比较大，在静止工况竟然相差1 3 d b a ，其中后排乘 客右耳噪声变化比较平缓，驾驶员右耳侧噪声在7 0 k m h 一1 2 0 k m h 区间有波动， 在8 0 k m h 和l o o k m h 工况声压级有峰值。 图2 3 车内噪声对车速变化曲线 线性声压级远远大于a 计权声压级说明车内噪声的主要成分集中在低频区 域，因为a 计权网络对低频噪声有较大的衰减，随着频率的增加衰减越来越小。 从a 计权声压级来看，驾驶员耳侧噪声始终小于后排乘客耳侧噪声说明车内声场 分布不均匀，车内后部噪声较大，前部噪声相对较小，说明车辆后部的噪声源 对车内噪声影响较大，前部噪声源影响相对较小。 单纯的噪声声压级并不能反映噪声更多的信息，为了了解车内噪声的来源 与频率构成，需要对噪声做频谱分析。图2 4 、2 5 为静止工况车内噪声的f f l 对时间云图，噪声的主要频率成分7 9 、1 1 8 、3 1 4 、5 4 0 、7 8 0 ( 7 4 0 - 8 2 0 ) 、1 0 3 0 h z 处是清晰的亮直线，说明噪声频率成分比较稳定，不随测试时间的改变而变化， 同时也说明噪声来自稳态激励。其他匀速工况的f f t 对时间云图也有类似的特 征，只是特征频率因车速的不同而变化。 1 3 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 o o ，k m h 骜胂目塑型! 旦! ? ! ! 塑堕里吁! 坐 韪釜_ ) 口晶隧i 羔：。翁ts 蕊丑2 0 2 4 。2 5 嚣 2 。7 。5 。d 图2 4 定置工况驾驶员右耳侧噪声云幽 篓姿譬鍪黧尝当錾型磐髦謦鉴熹露臻蔫一 一墨 二| 一幽 丑口圈口l _ 匮：三 6 01 d 图2 5 定置工况后捧乘员右耳侧嘹声云图 图2 6 车内前捧驾驶员右耳侧和后捧乘客右耳侧噪声随车速变化的云图表 明，车内噪声的主要频率成分随车速变化而改变，从图中可以看到驾驶员右耳 侧噪声的主要频率成分为中低频，主要在1 6 0 0 h z 以内，频带随着车速的增加而 逐步变宽；后排乘员右耳侧噪声的主要频率成分在2 0 0 0 h z 以内可以看到存在 几个特征频率成分基本不随车速的变化而改变，他们是7 9 h z 、1 1 8 h z 、3 1 4 h z 、 5 4 0 h z 、7 8 0 h z ，1 0 3 0 h z 这说明后排乘客耳侧噪声主要受某些稳态激励源的影 第2 章燃料电池轿车车内噪声特性试验分析 响，并且这种影响的强度变化不大；此外后捧噪声的频率带也随着车速的增加 而变宽，其变化规律和驾驶员耳侧噪声变化基本一致，车速的增加使车内噪声 的特征频率成分增加。 攥、 ”t 心狙i i 二ii i 丧摹蒌毫j ( a ) 驾驶员右耳侧云图( b ) 后捧乘客右耳侧云图 图2 6 噪声随车速变化云图 本文是研究燃料电池车在0 2 0 0 h z 低频范围内车内噪声声固耦合仿真分 析，并通过理论计算和优化来指导与改善其车内噪声水平。困此，对于2 0 0 h z 以上的频率范围，由于有限元算法的限制，无法得到满意的结果而且需要花费 很大的计算资源。因此，对于上述试验分析所得到的7 9 h z 、1 1 8 h z 、3 1 4 h z 、5 4 伽z 、 7 8 0 h z ，1 0 3 0 h z 这些稳态激励频率，本文只关心7 9 h z 、1 1 8 h z 两个低频澈励频草， 找出产生这两个激励频率的主要声源及其车速- y 况，为后续的车内噪声声固鹅 合分析提供激励信号。 2 3 2 低撅噪声源识别 噪声源识别就是针